CN115524668A - 一种基于usrp的二次雷达与dme信号模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于USRP的二次雷达与DME信号模拟方法，方法包括根据询问、应答或者广播消息类型，生成对应消息类型的采样调制前的二进制原始数据；采用相应的调制方式，对二进制原始数据进行调制，生成I/Q调制数据；根据采样率参数，对I/Q调制数据进行数据采样，生成I/Q采样数据；对I/Q采样数据进行干扰信号叠加之后输出至射频端进行转换输出。本发明基于软件定义无线电技术，通过软件实现信号数据产生、生成采样数据、噪声叠加、生成I/Q调制采样数据，降低了不同调制模式、不同信号模拟的硬件开发难度，可实现不同信号、不同调制方式、不同噪声干扰叠加的组合，实现了不同各环节下复杂信号的生成模拟。

Description

一种基于USRP的二次雷达与DME信号模拟方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于USRP(UniversalSoftware Radio Peripheral，通用软件无线电外设)的二次雷达与DME信号模拟方法。

背景技术

软件无线电的基本思想就是将宽带模数变换器(A/D)及数模变换器(D/A)尽可能地靠近射频天线。在这个硬件平台上尽量利用软件技术来实现电台的各种功能模块。通过软件编程来实现各种通信频段的选择，如HF、VHF、UHF和SHF等；通过软件编程来完成传送信息抽样、量化、编码/解码、运算处理和变换，以实现射频电台的收发功能；通过软件编程实现不同的信道调制方式的选择，如调幅、调频、单边带、数据、跳频和扩频等；通过软件编程实现不同的保密结构、网络协议和控制终端功能等。软件无线电技术是软件化、计算密集型的操作形式。

软件定义无线电(Software-Defined Redio，SDR)，是一种新型的无线电体系架构，是无线电邻域的一种新型解决方案，其特点是通过动态可变的软件编程对相同硬件进行重构，通过软件层面和硬件层面的组合调整使之完成不同的功能。软件无线电技术将尽可能多的功能实现从以往的硬件实现迁移至软件层面进行可重构、可升级的结构化软件实现，使得软件无线电解决方案具有极强的开放性、扩展性、模块性、易调试性和可重构性。

现有技术具有以下缺点：

1、依赖硬件实现的无线电信号模拟开发成本高、开发难度大、开发周期长、问题定位困难、功能单一不易扩展。

2、现有的软件无线电解决方案实现的信号模拟单一、调制频段相对固定、软件化程度不高。

3、现有的空中导航监视邻域的无线电信号模拟集成度低、模拟信号类型单一、与硬件的耦合依赖性强、扩展性弱。

发明内容

为了克服现有依赖硬件实现的无线电信号模拟技术存在的开发难度大、周期长、问题定位困难、功能难以扩展等问题，本发明提供了一种基于USRP的二次雷达与DME信号模拟方法。本发明基于软件定义无线电技术，通过软件实现信号数据产生、生成采样数据、噪声叠加、生成I/Q调制采样数据，降低了不同调制模式、不同信号模拟的硬件开发难度，可实现不同信号、不同调制方式、不同噪声干扰叠加的组合，实现了各种不同环境下复杂信号的生成模拟。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于USRP的二次雷达与DME信号模拟方法，包括：

根据询问、应答或者广播消息类型，生成对应消息类型的采样调制前的二进制原始数据；

采用相应的调制方式，对所述二进制原始数据进行调制，生成I/Q调制数据；

根据采样率参数，对所述I/Q调制数据进行数据采样，生成I/Q采样数据；

对所述I/Q采样数据进行干扰信号叠加之后输出至射频端进行转换输出。

作为优选实施方式，本发明的询问、应答或广播信息类型以外部输入参数的形式进行动态控制，可生成(1)-(7)中的至少一种数据：

(1)带参数未进行采样的西方体制IFF询问的脉冲波形数据；

(2)带参数未进行采样的西方体制IFF应答的脉冲波形数据；

(3)带参数的未进行采样S模式询问的脉冲波形数据；

(4)带参数的未进行采样S模式应答的脉冲波形数据；

(5)带参数的未进行采样ADS-B广播的脉冲波形数据；

(6)带参数的未进行采样DME询问的脉冲波形数据；

(7)带参数的未进行采样DME应答的脉冲波形数据。

作为优选实施方式，本发明的外部输入参数用于计算该消息报文每个比特位的值，每个比特可映射为1us或者0.5us脉冲宽度或者其它预设脉冲宽度，具体映射规则由不同信号格式决定。

作为优选实施方式，本发明的调制方式至少包括(1)-(3)中的一种：

(1)ASK调制；

(2)DPSK调制；

(3)AM调制。

作为优选实施方式，本发明叠加的干扰信号至少包括(1)-(4)中的一种：

(1)白噪声干扰；

(2)多径噪声干扰；

(3)单脉冲干扰；

(4)同频干扰。

第二方面，本发明提出了一种基于USRP的无线电信号模拟设备，包括：

数据生成模块，根据询问、应答或者广播信息类型，生成对应消息类型的采样调制前的二进制原始数据；

调制模块，采用相应的调制方式，对所述二进制原始数据进行调制，生成I/Q调制数据；

数据采样模块，根据采样率参数，对所述I/Q调制数据进行数据采样，生成I/Q采样数据；

干扰叠加模块，对所述I/Q采样数据进行干扰信号叠加之后输出至射频端进行转换输出。

作为优选实施方式，本发明的数据生成模块包括MARK X/XII西方体制的IFF询问数据生成单元、MARK X/XII西方体制的IFF应答数据生成单元、S模式询问数据生成单元、S模式应答数据生成单元、ADS-B广播数据生成单元、DME询问数据生成单元、DME应答数据生成单元等七种典型信号生成模块。

作为优选实施方式，本发明的调制模块包括ASK调制单元、DPSK调制单元和AM调制单元。

作为优选实施方式，本发明的干扰叠加模块包括白噪声干扰单元、多径干扰单元、同频干扰单元和单脉冲干扰单元。

第三方面，本发明提出了一种基于USRP的无线电信号模拟系统，包括上述基于USRP的无线电信号模拟设备和硬件设备；

所述硬件设备包括主控单元、DA转换单元、缓存单元和射频通道管理单元；

所述无线电信号模拟设备将采样并叠加干扰信号后的数据传输至所述缓存单元进行缓存，所述主控单元控制所述DA转换单元对所述缓存单元中缓存的数据进行DA转换，并由所述射频通道管理单元控制DA转换后的数据输出。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明提供了开放性、标准化、模块化的通用软件无线电信号模拟技术，基于软件控制和再定义的平台，选用不同软件模块就可以实现不同的功能，而且软件可以升级更新，硬件层面仅需维持最简单的功能支持。本发明将信号模拟中主要功能(信号生成、调制、采样、干扰叠加等)由软件实现，硬件仅负责实现数模转换、设置载波频率、载波功率设置，即硬件仅需承担后续射频功能。因此如果要实现新的业务或调制方式，仅需要增加一个新的软件模块实现其新的业务或调制方式，克服了现有通过硬件实现无线电模拟存在的缺陷和问题。

2、本发明的信号数据生成的核心模块在软件中完成，其运行效率高，通过提高PC级性能可进一步提升信号模拟能力，在不改变FPGA硬件情况下可通过对模块的扩展和升级，进一步扩展软件模块的信号模拟、噪声干扰、调制模式以及功能优化的能力。

3、本发明基于模块化软件无线电实现信号模拟的技术，极大的提高了开发效率，降低硬件依赖性，缩短项目研发周期，且具备良好的代码和模块复用能力，具有结构通用、功能软件化、互操作性好等一系列优点。

4、本发明为构建多信号、多频段和信号多噪声干扰的空管监视多功能无线通信提供了数据支撑和技术支撑。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的方法流程示意图。

图2为本发明实施例的计算机原理框图。

图3为本发明实施例的设备原理框图。

图4为本发明实施例的系统原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

针对现有无线电信号模拟技术存在的技术问题，如依赖硬件实现的无线电信号模拟开发难度大、周期长且功能单一；现有的软件无线电实现的信号模拟单一、调制频段相对固定。本发明实施例提出了一种基于USRP的二次雷达与DME信号模拟方法，如图1所示，本发明实施例的方法包括如下步骤：

步骤一，根据询问、应答或者广播消息类型，生成对应消息类型的采样调制前的二进制原始数据。

步骤二，选择调制方式，对二进制原始数据进行调制，生成I/Q调制数据；

步骤三，根据采样率参数，对I/Q调制数据进行数据采样，生成I/Q采样数据；

步骤四，对I/Q采样数据进行干扰信号叠加之后输出至射频端进行转换输出。

进一步的，本发明实施例的步骤一中，询问、应答或广播信息类型以外部输入参数的形式进行动态控制，可实现多种类型信号的二进制原始数据生成，包括但不限于MARK X/XII西方体制的IFF询问数据生成、MARK X/XII西方体制的IFF应答数据生成、S模式询问数据生成、S模式应答数据生成、ADS-B广播数据生成、DME询问数据生成、DME应答数据生成等七种典型信号的生成。其中，MARK X/XII西方体制的IFF询问数据生成具体为生成带询问参数未进行采样的西方体制IFF询问的PPM脉冲波形数据；MARK X/XII西方体制的IFF应答数据生成具体为生成带询问参数未进行采样的西方体制IFF应答的PPM脉冲波形数据；S模式询问数据生成具体为生成带参数的未进行采样S模式询问的PPM脉冲波形数据；S模式应答数据生成具体为生成带询问参数的未进行采样S模式应答的PPM脉冲波形数据；ADS-B广播数据生成具体为生成带参数的未进行采样ADS-B广播的PPM脉冲波形数据；DME询问数据生成具体为生成带参数的未进行采样DME询问的脉冲波形数据；DME应答数据生成具体为生成带参数的未进行采样DME应答的脉冲波形数据。

此外，外部输入参数的作用适用于计算该消息报文每个比特位的值，例如，生成S模式DF21的应答信号包含8微秒前导脉冲和112微秒的数据域，以0.5微秒为步长，则1比特表示0.5微秒，2比特表示1微秒的DF21数据，根据外部输入变量的值和S模式应答信号格式计算得到240比特的DF21消息的原始报文数据。其它六种信号类型采用的方式与上述方式类似，此处不再赘述。具体的，DME询问应答数据应满足高斯分布，在具体实现过程中需要考虑不同硬件射频参数下DME脉冲宽度的自适应调整能力。

进一步的，本发明实施例的步骤二可实现多种调制方式，包括但不限于ASK调制、DPSK调制和AM调制。

其中，ASK调制类型采用2ASK调制，2ASK调制是二进制振幅键控，也称OOK调制，2ASK调制信号的产生方式通常有两种：模拟调制法(相乘器法)和键控法。本实施例采用模拟调制法，即用乘法器实现。本发明实施例通过ASK调制将未采样的脉冲波形数据调制成采样前的ASK调制I/Q零中频数据。

DPSK调制，是指利用调制信号前后码元之间载波相对相位的变化来传递信息。本实施例采用的DPSK调制信号应满足b₁＝a₁，

原理。本发明实施例通过DPSK调制将未采样的脉冲波形数据调制成采样前的DPSK调制I/Q零中频数据。

AM调制即振幅调制，AM调幅信号的产生可将调制信号与直流相加，再与载波信号相乘，即可实现普通调幅。本实施例可采用低电平调幅方法和高电平调幅方法。本发明实施例通过AM调制将未采样的脉冲波形数据调制成采样前的AM调制I/Q零中频数据。

进一步的，本发明实施例的步骤三对I/Q调制数据进行数据采样，生成1秒钟I/Q采样数据。其中，采样率和信号频率以参数的形式进行动态控制。例如，本实施例设置发射信号重复频率为1000Hz，信号采样率为20MHz，采样后将得到一组I/Q数据，数据量为2e7，且采样点每间隔2e4出现一次发射信号。其它重复频率和采样率的情况此处不做枚举。

进一步的，本发明实施例的步骤四采用多种干扰叠加方式，实现增加相应干扰的I/Q采样数据，包括但不限于白噪声干扰、多径干扰、同频干扰、单脉冲干扰，具体的：

对I/Q采样数据叠加相对干扰幅度的白噪声干扰，从而模拟信号在高底噪环境中的信号发射。其中相对干扰幅度以参数形式控制。

对I/Q采样数据叠加衰减一定相对幅度和干扰延迟时间的多径噪声干扰，从而模拟信号经不同传播路径传播后得到的混合信号，即在信号一定时间延迟后出现衰减后的相同信号。其中，多径干扰相对幅度和干扰延迟时间以参数的形式进行控制。

对I/Q采样数据叠加固定频率、固定脉冲宽度和相对干扰幅度的单脉冲干扰，从而模拟信号经单脉冲干扰后得到的混合信号。其中，相对干扰幅度、单脉冲重复频率和脉冲宽度以参数的形式进行控制。

对I/Q采样数据叠加调制信号的前后一定时间间隔和相对幅度的其他同频率信号干扰，从而模拟信号传输过程中被同频段其它信号干扰后的混合信号。其中，同频干扰信号类型、干扰相对幅度、干扰延迟时间以参数的形式进行控制。

本实施例还提出了一种计算机设备，用于执行本实施例的上述方法。

具体如图2所示，计算机设备包括处理器、内存储器和系统总线；内存储器和处理器在内的各种设备组件连接到系统总线上。处理器是一个用来通过计算机系统中基本的算术和逻辑运算来执行计算机程序指令的硬件。内存储器是一个用于临时或永久性存储计算程序或数据(例如，程序状态信息)的物理设备。系统总线可以为以下几种类型的总线结构中的任意一种，包括存储器总线或存储控制器、外设总线和局部总线。处理器和内存储器可以通过系统总线进行数据通信。其中内存储器包括只读存储器(ROM)或闪存(图中未示出)，以及随机存取存储器(RAM)，RAM通常是指加载了操作系统和计算机程序的主存储器。

计算机设备一般包括一个外存储设备。外存储设备可以从多种计算机可读介质中选择，计算机可读介质是指可以通过计算机设备访问的任何可利用的介质，包括移动的和固定的两种介质。例如，计算机可读介质包括但不限于，闪速存储器(微型SD卡)，CD-ROM，数字通用光盘(DVD)或其它光盘存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或者可用于存储所需信息并可由计算机设备访问的任何其它介质。

计算机设备可在网络环境中与一个或者多个网络终端进行逻辑连接。网络终端可以是个人电脑、服务器、路由器、智能电话、平板电脑或者其它公共网络节点。计算机设备通过网络接口(局域网LAN接口)与网络终端相连接。局域网(LAN)是指在有限区域内，例如家庭、学校、计算机实验室、或者使用网络媒体的办公楼，互联组成的计算机网络。WiFi和双绞线布线以太网是最常用的构建局域网的两种技术。

应当指出的是，其它包括比计算机设备更多或更少的子系统的计算机系统也能适用于发明。

如上面详细描述的，适用于本实施例的计算机设备能执行无线电信号模拟方法的指定操作。计算机设备通过处理器运行在计算机可读介质中的软件指令的形式来执行这些操作。这些软件指令可以从存储设备或者通过局域网接口从另一设备读入到存储器中。存储在存储器中的软件指令使得处理器执行上述的群成员信息的处理方法。此外，通过硬件电路或者硬件电路结合软件指令也能同样实现本发明。因此，实现本实施例并不限于任何特定硬件电路和软件的组合。

实施例2

本实施例提出了一种基于USRP的无线电信号模拟设备，包括数据生成模块、调制模块、数据采样模块和干扰叠加模块。

其中，该数据生成模块根据询问、应答或者广播信息类型，生成对应消息类型的采样调制前的二进制原始数据。询问、应答或广播信息类型以外部输入参数的形式进行动态控制。

该调制模块选择调制方式，对二进制原始数据进行调制，生成I/Q调制数据。

该数据采样模块根据采样率参数，对I/Q调制数据进行数据采样，生成I/Q采样数据。

该干扰叠加模块对I/Q采样数据进行干扰信号叠加之后输出至射频端进行转换输出。

进一步的，本发明实施例的数据生成模块包括但不限于MARK X/XII西方体制的IFF询问数据生成单元、MARK X/XII西方体制的IFF应答数据生成单元、S模式询问数据生成单元、S模式应答数据生成单元、ADS-B广播数据生成单元、DME询问数据生成单元、DME应答数据生成单元等七种典型信号生成模块。

进一步的，本发明实施例的调制模块包括但不限于ASK调制单元、DPSK调制单元、AM调制单元。

进一步的，本发明实施例的干扰叠加模块包括但不限于白噪声干扰单元、多径干扰单元、同频干扰单元、单脉冲干扰单元。

实施例3

本实施例提出了一种基于USRP的无线电信号模拟系统，该系统包括上述实施例2提出的基于软件实现的信号模拟设备和硬件设备。

如图4所示，硬件设备包括FPGA(主控单元)、AD9364(DAC单元)、DDR4(缓存单元)和MCU射频通道管理单元。

其中，FPGA作为硬件模块的主控单元，可实现对频率、有线/无线功放、输出功率以及数据传输的控制，通过一组八通道总线PCIe与信号模拟设备相连，所有的数据及控制均通过此总线完成数据传输和控制，通过信号模拟设备发送的数据控制和管理AD9346的ADC/DAC、DDR4的数据读写以及MCU射频通道管理。具体的，DA转换前的所有数据流都是通过DLL调用的形式在计算机上完成，DLL采样并叠加干扰信号后的数据直接送到FPGA缓存，FPGA控制缓存中的数据进行DA转换后通过射频通道输出。

AD9346通过AXI总线与FPGA通信，对信号模拟设备传输过来的数据进行数模转换(DA转换)。

DDR4作为信号模拟设备下传数据存放地址，其缓存结构为乒乓双缓存模式。

MCU射频通道管理单元用于管控FPGA无线发射模式下无线射频信号的发射。

实施例4

本实施例以S模式应答信号模拟为例，对上述实施例提出的技术进行说明，二次雷达S模式应答信号模拟过程如下：

1、在上位机用户界面设置S模式DF21应答链路，设置应答信号有线发射功率为-40dBm，设置应答信号频率为1000次/秒，设置DF21报文字段(FS、DR、UM、ID、MB、AP字段)值，设置噪声为白噪声干扰；

2、根据RTCA-DO-260B标准生成步骤1中S模式DF21的二进制应答数据；

3、将步骤2中的二进制询问信号传入ASK调制模块进行调制，得到二进制ASK调制数据；

4、根据采样时钟对步骤3中的调制数据进行采样，生成1秒中1000次DF21应答的IQ采样数据；

5、对步骤4生成的采样数据叠加白噪声干扰，生成最终的零中频IQ基带数据；

6、给FPGA发送控制指令，FPGA设置发射功率为-40dBm、有线发射模式、发射频率1030MHz；

7、向FPGA发送步骤5生成的基带数据；

8、FPGA通过内部逻辑控制DF21信号的发射，每秒发送一次基带数据。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于USRP的二次雷达与DME信号模拟方法，其特征在于，包括：

根据询问、应答或者广播消息类型，生成对应消息类型的采样调制前的二进制原始数据；

采用相应的调制方式，对所述二进制原始数据进行调制，生成I/Q调制数据；

根据采样率参数，对所述I/Q调制数据进行数据采样，生成I/Q采样数据；

对所述I/Q采样数据进行干扰信号叠加之后输出至射频端进行转换输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于USRP的二次雷达与DME信号模拟方法，其特征在于，询问、应答或广播信息类型以外部输入参数的形式进行动态控制，可生成(1)-(7)中的至少一种数据：

(1)带参数未进行采样的西方体制IFF询问的脉冲波形数据；

(2)带参数未进行采样的西方体制IFF应答的脉冲波形数据；

(3)带参数的未进行采样S模式询问的脉冲波形数据；

(4)带参数的未进行采样S模式应答的脉冲波形数据；

(5)带参数的未进行采样ADS-B广播的脉冲波形数据；

(6)带参数的未进行采样DME询问的脉冲波形数据；

(7)带参数的未进行采样DME应答的脉冲波形数据。

3.根据权利要求2所述的一种基于USRP的二次雷达与DME信号模拟方法，其特征在于，所述外部输入参数用于计算该消息报文每个比特位的值，每个比特能够映射为预设脉冲宽度，具体映射规则由不同信号格式决定。

4.根据权利要求1所述的一种基于USRP的二次雷达与DME信号模拟方法，其特征在于，所述调制方式至少包括(1)-(3)中的一种：

(1)ASK调制；

(2)DPSK调制；

(3)AM调制。

5.根据权利要求1所述的一种基于USRP的二次雷达与DME信号模拟方法，其特征在于，叠加的干扰信号至少包括(1)-(4)中的一种：

(1)白噪声干扰；

(2)多径噪声干扰；

(3)单脉冲干扰；

(4)同频干扰。

6.一种基于USRP的二次雷达与DME信号模拟设备，其特征在于，包括：

数据生成模块，根据询问、应答或者广播信息类型，生成对应消息类型的采样调制前的二进制原始数据；

调制模块，采用相应的调制方式，对所述二进制原始数据进行调制，生成I/Q调制数据；

数据采样模块，根据采样率参数，对所述I/Q调制数据进行数据采样，生成I/Q采样数据；

干扰叠加模块，对所述I/Q采样数据进行干扰信号叠加之后输出至射频端进行转换输出。

7.根据权利要求6所述的一种基于USRP的二次雷达与DME信号模拟设备，其特征在于，所述数据生成模块包括MARK X/XII西方体制的IFF询问数据生成单元、MARK X/XII西方体制的IFF应答数据生成单元、S模式询问数据生成单元、S模式应答数据生成单元、ADS-B广播数据生成单元、DME询问数据生成单元、DME应答数据生成单元等七种典型信号生成模块。

8.根据权利要求6所述的一种基于USRP的二次雷达与DME信号模拟设备，其特征在于，所述调制模块包括ASK调制单元、DPSK调制单元和AM调制单元。

9.根据权利要求6所述的一种基于USRP的二次雷达与DME信号模拟设备，其特征在于，所述干扰叠加模块包括白噪声干扰单元、多径干扰单元、同频干扰单元和单脉冲干扰单元。

10.一种基于USRP的二次雷达与DME信号模拟系统，其特征在于，包括权利要求6-9任一项所述的基于USRP的二次雷达与DME信号模拟设备和硬件设备；

所述硬件设备包括主控单元、DA转换单元、缓存单元和射频通道管理单元；

所述无线电信号模拟设备将采样并叠加干扰信号后的数据传输至所述缓存单元进行缓存，所述主控单元控制所述DA转换单元对所述缓存单元中缓存的数据进行DA转换，并由所述射频通道管理单元控制DA转换后的数据输出。

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