文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.023
中文引用格式：白玉，杨斌斌，杨承志，等. 复杂战场电磁环境射频级仿真研究[J].电子技术应用，2017，43(1)：88-91.
英文引用格式：Bai Yu，Yang Binbin，Yang Chengzhi，et al. The complex battlefield electromagnetic environment simulation on RF level[J].Application of Electronic Technique，2017，43(1)：88-91.
0 引言
现代战争中异常激烈的电子对抗行动，使得作战双方所处战场空间的电磁环境异常复杂。如何有效评估我国现有电子装备在复杂的战场电磁环境下的生存能力，研制或改进电子战装备，训练电子战装备的作战人员，已成为我军迫切需要解决的问题。
国内外众多组织机构展开了对复杂战场电磁环境的研究工作。文献[1]介绍了美军在电子靶场复杂战场电磁环境构建方面的一些经验和取得的进展；文献[2]简述了国内关于战场电磁环境仿真研究的现状，提出了电磁环境仿真的关键技术、仿真方式和实现手段；文献[3]以全软件的方法对典型的几种雷达信号展开了软件仿真；文献[4]以MATLAB为工具，对雷达系统的回波信号进行了建模与仿真。
从公开发表的文献资料来看，国内关于战场电磁环境的仿真，一些从信号仿真的角度出发，对典型的雷达信号、目标回波信号以及环境噪声等展开仿真研究；其他的对战场电磁环境构建的整体原则、关键技术、实现方式做了深入探讨，这些研究均没有将目标辐射源的战术行为模型与运动行为模型等战场态势与雷达的辐射源的信号层仿真相结合，即未能完成对整个战场电磁环境下雷达系统的战术层仿真与信号层仿真相结合。本文从该角度出发，提出了基于信号级的、战术与技术相融合的战场电磁环境射频级仿真系统。
1 系统总体设计
复杂战场电磁仿真系统的整体结构包括战术层仿真和信号层仿真两个方面。战术层仿真由运行在计算机板上的战术层仿真软件完成，战术层仿真主要完成战场场景编辑、情报调用、波形编辑、场景播放等任务，在场景播放过程中解算相应的目标辐射源参数，通过PCIE高速串行总线，将辐射源的脉冲描述字实时更新到信号产生板；信号产生板主要完成信号层的仿真，其主要由一片高性能的FPGA芯片和一块高速DA芯片组成，信号产生板接收到计算机板通过PCIE总线传输过来的辐射源参数后，用FPGA驱动高速DAC来产生不少于20路经过复杂调制的基带雷达信号，将得到的基带信号送至后续的变频器，经过上变频后经由天线辐射到外场空间去，即可完成高逼真度的战场电磁环境的仿真再现。整个仿真系统的结构如图1所示。
2 战术层仿真
战术层仿真由运行在计算机载板上的战术层仿真软件实现，战术层仿真软件使用C++语言在Visual Studio 2012环境中编程实现。战术层仿真主要模拟典型作战场景下的战场态势，及相应战场态势下目标辐射源的战术行为与运动行为模型等。设计中，将战术层仿真[3]分为电磁环境辐射源目标编辑系统与辐射源目标任务规划推演系统，其中，电磁环境辐射源目标编辑系统依托大量真实辐射源构成的辐射源目标数据库，能够实现对战场真实信号的辐射特性、扫描特性、战术特性的描述与编辑。需要编辑的辐射源参数包括：雷达型号、国别、雷达模式、雷达PDW参数（载频类型、载频值、脉宽类型、脉宽值、间隔类型、间隔值）、威胁等级、雷达类型（地面武器控制雷达、机载火控雷达、舰载雷达等）、扫描类型（圆周扫描、扇形扫描、圆锥扫描）、扫描参数（功率、增益、扫描周期、扫描类型、天线俯仰角）；辐射源目标任务规划推演系统能够实现辐射源与侦察机战术行为的编辑，结合真实的战场地图坐标数据，预先设定好辐射源与侦察机的航线规划、辐射源位置及侦察机发现范围，设置好后即可按照规划好的战场态势进行作战推演。推演过程中配置的各个辐射源的参数通过PCIE总线以xml文件的形式送至信号产生板，信号产生板依据真实雷达信号的参数产生所需的基带雷达信号，通过上变频后送至发射天线，由天线辐射到外场空间，即可得到高逼真度的射频级雷达信号。
3 信号层仿真
信号层仿真是用信号产生板产生各种调制类型的雷达信号的过程，即雷达信号源的设计。本设计选用FPGA驱动高速DAC来产生基带雷达信号，要求能够产生不少于20部的雷达信号，每部雷达信号瞬时带宽大于950 MHz，且信号的调制类型、起始频率、终止频率、输出功率、扫描参数等均可独立配置，配置完毕后FPGA采用直接数字频率合成(Direct Digital frequency
Synthesis，DDS)的方案，同时输出多路复杂调制的波形数据，多路信号的输出相加后，写入高速DAC作数模转换，即可得到相应的基带信号。整个基带雷达信号源的体系结构如图2所示。
3.1 基于DDS的信号产生原理
DDS是一种基于相位累加结构的信号产生技术，与其他频率合成方法相比具有很宽的输出频率带宽，且具有频率转换时间短、分辨率高、可编程、全数字化等一系列优点。本文结合DDS专用芯片的原理设计了如图3所示的具有二阶相位累加结构的DDS模块[5]，在FPGA中使用多个该模块来产生所需的信号。雷达信号的一般表达式如下所示[6]：
其中，K(n)为n时刻的调频斜率，Ω(n)为n时刻的频率偏移，Φ(n)为n时刻的相位偏移。通过控制这3个量，即可输出单载频信号、线性调频和相位编码等调制形式的雷达信号。
在信号层仿真中，使用FPGA来产生多路复杂调制的雷达信号。从式(1)中可以看出，雷达信号的调制方式不外乎幅度调制、频率调制、相位调制、时间调制这4种方式或这4种调制方式的随意组合，幅度调制常见的是矩形脉冲调制，其信号波形比较简单不作深入考虑。故本文将所设计的信号源划分为时间调制模块（TMM）、频率调制模块（FMM）、相位调制模块（PMM），每个模块分别负责产生时域调制控制信号、频域调制控制信号和相位调制控制信号。通过这3个子模块控制DDS模块来生成各种调制类型的信号，最后在FPGA中将这4个模块封装为AXI总线结构的IP核[7]。该信号产生单元IP核的顶层结构如图4所示。
3.2 FPGA与高速DAC的接口设计
由于D/A芯片实时采样率为2.8 GHz，故在FPGA中采用8个并行的信号生成单元来产生一路雷达信号，这样FPGA的工作时钟便降低为350 MHz，每个信号生成单元的参数按照式(3)～式(5)进行配置，配置完后，每个信号生成单元即可输出一路频率为350 MHz的信号；利用FPGA提供的并串转换资源(OSERDES)，将每个信号源8个通道的信号并串转换为2路并行的单端信号，2路单端信号经过单端转差分(OBUFDS)后转化为2对700 MHz的差分信号。使用加法器将20路信号源输出的2路单端信号相加，相加后的2路信号送至高速D/A芯片AD9129。
在本设计中，通过SPI总线将AD9129配置为使用双端口传输数据，且每个端口采用双倍时钟速率DDR来采集数据，即在时钟的上升沿和下降沿同时采集数据，这样AD9129的数据采样时钟的频率就降为芯片时钟的1/4，降低时钟的传输频率意味着提高时钟的质量，也可以提高数据传输的正确率。AD9129在700 MHz的数据输入时钟的驱动下，分别从P0和P1两个端口使用DDR模式来采集FPGA送过来的两对差分信号，信号被采样后送至数据锁存器，在外部时钟芯片提供的2.8 GHz时钟的驱动下，AD9129即可将锁存器中的数字信号转换为模拟信号。
4 验证与分析
本设计提出了战术层与技术层相融合的战场电磁环境仿真系统，战术层通过C++语言在Visual Studio 2012环境中编程实现，信号层仿真在Xilinx提供的Vivado集成开发环境中设计实现。通过在Vivado中综合实现，可知本设计占用了较少的FPGA资源，其中使用了640个DSP核、214个BRAM(Block RAM)及1个PCIE核，分别占总资源的18％、15％和33％。从而可以看出完全满足不少于20部雷达信号的仿真的设计要求。FPGA资源消耗如表1所示。
在战术层仿真软件中设置作战场景[8]，战场上存在敌方地面预警雷达多部，分布在各个不同的地方，我方作战飞机1架，对敌方战区进行对地突防。推演开始后按照表2对各个辐射源参数进行设置。
设置完参数后通过在Vivado中进行功能仿真得到仿真数据，然后取出65 536个点导入MATLAB软件中进行仿真波形验证，得到如图6所示的仿真结果，其中图6(a)为4个辐射源的时域波形，图6(b)为频域波形。从图6可以看出，雷达波形时域时交叠在一起，很难区分；在频谱图上，很容易区分出4部雷达，且得到各自的频率调制特性，其中2部为单载频信号，另外2部为线性调频信号，与设置的参数相吻合。
5 结语
复杂战场电磁环境的仿真研究对于提高我军综合作战能力具有重要战略价值，本文实现了战术与技术相融合的仿真系统。从仿真结果可以看出，当存在4部雷达时，时域波形呈现出杂乱无章的特点，说明空间中的雷达信号已经非常复杂密集，表明了战场电磁环境的复杂性，也进一步表明了对复杂战场电磁环境展开仿真研究的必要性。
参考文献
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作者信息:
白 玉1，杨斌斌1，杨承志2，王 龙2
（1.沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，辽宁 沈阳110136；2.空军航空大学 信息对抗系，吉林 长春130022）