2. 上海无线电设备研究所, 上海 200090
2. Shanghai Radio Equipment Research Institute, Shanghai 200090, China
泄漏下能见度(sub feedthrough visibility,SFV)是半主动雷达导引头的重要技术指标之一,其性能好坏将直接影响导弹在近端、低空等环境下的作战性能[1]。然而,传统的泄漏下能见度的测试采用非标定制的专用信号源,即采用数字信号处理电路形成数字编码信号,再通过数模转换、模拟放大器和滤波器实现编码信号的产生,最终调制到导引头信号源上[2]。该方法设计过程复杂,同时在设计过程中需要精细的进行噪声、杂散和滤波控制,测试结果低于导引头实际达到的真实值,测试准确性不高。在泄漏下能见度要求不高时,能够满足导引头系统测试要求。
随着现代武器系统编码设计从单一到多样化,同时对泄漏下能见度指标提出更高的要求,原有的非标自制编码设计方案中采用滤波来降低噪声的方法,无法同时提高泄漏下能见度测试的准确性和通用性。本文提出一种采用任意波形发生器作为硬件,通过MATLAB、LabVIEW软件仿真和优化的设计方法,能够兼顾完成多个型号的编码调制设计,实现了SFV测试准确度的提升。
1 编码调制信号对SFV的影响 1.1 编码调制信号要求在导弹武器系统中,采用无线电修正指令来提高系统的性能和打击能力[3]。典型的半主动雷达制导系统采用直波通道传递无线电修正指令的方案,在导弹发射过程中,实时通过指令通道将目标在导弹坐标系内的速度信息和距离信息传送给导引头,在多枚导弹攻击多个目标的作战任务中,需要多部雷达照射,这时无线电修正指令信号中还包含了导弹、目标和雷达号信息,以此实现导弹对攻击目标的敌我识别、友邻识别以及其他信息的传递[4]。
制导信号源用于产生携带无线电修正指令的编码信号,再通过调制方式调制到载频上,实现直波、回波、杂波、泄漏、噪声等信号,满足制导舱测试和故障检测时对直波、回波接收机的射频激励需求。
编码调制信号是一个典型的多个副载频频率调制信号,其调制信号的频率表达式为[5]
$f\left( t \right) = {\beta _0}\sum\limits_i {{a_i}{\rm{cos}}(2{\rm{ \mathsf{ π} }}{f_i}t)} $ | (1) |
式中:β0为相位调制指数;fi为副载频的数值(副载频调制个数i一般取3个或更多);ai为位信息(0或1)。
1.2 泄漏下能见度测试影响因素半主动导引头工作时的制导照射信号,当落入导引头速度门内的边带噪声大于接收机的灵敏度时,将影响导引头的虚假和稳定跟踪,尤其影响到导引头的泄漏下能见度的测试准确性。
制导信号源中的编码调制信号引起的杂散影响到导引头SFV测试的准确性。因为编码调制信号的交调杂散谱会落在速度门内,现有的制导信号源中编码调制信号引起的杂散抑制比不够高。由于SFV测试一般选择速度门内几个点测试,如果正好测试到杂散抑制最差的点就无法通过,且后续多种新型导引头对SFV的要求正在逐渐提高。图 1是经过编码调制后的信号频谱示意图。
为确保SFV的测试通过率,必须提升信号源在多普勒fd整个通带内的杂散抑制指标达到80 dB以上。
2 原有非标编码调制的设计与缺陷在首次进行编码调制设计时,限于当时器件和仪器水平,采用自行研制的非标编码调制设计方案。根据式(1) 所表示的信号形式,假设副载频调制个数为n个,其信号产生原理如图 2所示。
编码调制单元主要由副载频频率组合、选通开关、信号相加器和副载频带通滤波器组成。副载频频率组合采用DDS芯片AD9850(8位D/A)产生n个编码频率,通过选通开关进行任意选择组合,相加后通过带通滤波器滤除副载频带外的噪声,所形成的副载频编码信号输出以调频方式调制到射频微波源上,使射频信号模拟产生照射雷达发射的无线电修正指令信号[6],这种实现方式存在以下缺点。
1) 杂散较大:DDS芯片有很多优点,如相位噪声低、频率转换快等,但杂散比较高。图 3给出了AD9850的典型信号频谱特征。
可以看出远端杂散只有60 dB不到,近端杂散理论上典型值76 dB,加上通道开关之间容易互相串扰,无法彻底关断信号,因此杂散无法控制,无法达到80 dB的要求。
2) 通用性差:该方案只能实现多个单一正弦信号的叠加,无法实现任意波形的编码。加上每个通道DDS芯片后都使用窄带带通滤波器,导致信号频率不可变,不具备通用性。
3) 测试准确性不够:方案在DDS输出和编码信号都增加了滤波器,已最大程度地降低了编码产生单元的相噪性能。然而采用该方法研制的信号源测试SFV的相噪余量仅有1、2 dB。在新型号中,当新型号导引头SFV要求再提高3~5 dB时,该方案已经没有任何余量。
4) 产品构成复杂、研制周期长,无法满足型号快速研制和改进的要求:该方案从硬件投产、软件研制到信号源投入使用至少需要一年时间,而在型号产品研制初期中,总体经常更改编码调制的频率和方式,一年的研制周期将大大拖延型号产品的研制进度。
3 新编码调制的设计方法为提升SFV的测试准确度,采用标准仪器来进行编码调制的设计,借助仪器仪表的高相位噪声实现编码调制的设计,同时又提高了导引头信号源的溯源性能。经过分析和调研,存在以下2种方法。
其一,基于程控信号源的实时设计方法。该方法采用n台相位噪声较好的信号源替代图 2中的DDS[7],采用一台仪器替代编码调制单元,通过软件控制实现信号源的通断,采用信号合成器实现编码调制信号的形成,该方法采用了较多的信号源,可以实现实时修正指令信息的更新,其成本较高。
其二,基于任意波形发生器的设计方法。该方法采用一台两路输出、高相噪的任意波形发生器,采用仿真、仪器控制相结合的方法,实现编码调制的设计,该方法采用的仪器数量少、成本低,但不能实现修正指令信息的实时更新。由于导引头测试过程中,固定修正指令信息可以更好地验证修正指令解调功能。从成本、体积和功能实现角度,导引头编码调制设计采用基于任意波形发生器的设计方法。
基于任意波形发生器的设计可大致分为编码信号仿真设计、仪表选择和软件控制设计、编码信号采样率设计、调制信号注入设计4个部分。
3.1 编码信号仿真设计为阐明编码信号仿真设计内容,在MATLAB软件中建立副载频仿真模型,分别对单路副载频和双路副载频进行仿真,图 4、5分别为单路副载频和双路副载频信号的时域仿真波形[8]。
编码信号一般包含地址码和信息码2部分,包含雷达、导弹和目标等信息,在地址码解码正确的情况下,导引头再从信息码中获取目标的速度信息和距离信息。
按照时序要求对码信息进行排列,建立MATLAB数学模型,得到一个周期的仿真波形如图 6所示。
为提高SFV测试准确度,必须选择相位噪声足够好的任意波形发生器。为实现直、回波信号的同步,选用具有双通道输出的任意波形发生器,一个通道模拟编码调制信号,另一个通道模拟同步脉冲信号,使同步脉冲信号与修正指令编码信号严格同步输出。并且要求任意波形发生器具有足够的内存空间,以满足时序长度和对编码调制信号频率、幅度的要求。
任意波形发生器的控制通过VISA接口和可编程仪器标准命令来实现。编写波形下载与输出的LabVIEW驱动程序,原理如图 7所示[9]。
根据MATLAB仿真结果,编写LabVIEW程序实现编码信号波形的产生,实现方法如图 8所示。根据时序要求和MATLAB数学模型仿真结果,在LabVIEW环境下编写相应的软件,产生最终需要的编码信号波形[10]。
信号采样率最初选择2 MB时不够理想,导致编码调制信号输出的波形不够平滑,损失了信号的相位噪声。针对这一问题,考虑到编码信号数据量大,而仪表的存储空间有限,综合多种因素最终选择4 MB采样率,在图 8波形参数配置中更改采样率,可以提高编码信号的杂散抑制比,经测试提高到了80 dB以上。
3.4 调制信号注入设计将含有无线电修正指令信息的编码信号,根据式(1) 调制到载波上,其实现的简化原理图如图 9,加入编码调制后会恶化微波信号的边带噪声[11]。因此选择合理的调制方式对提高信号的纯度也至关重要。
原有调制方式是在100 MHz晶振滤波后就调相,将编码调制信号注入到调相器的控制端,调相器的输出端作为后级倍频源的参考,可以看出从100 MHz到9 GHz经过了90次倍频, 根据倍频相噪恶化原理,计算出相噪恶化为20lg90=20×1.954≈39 dB,如果调整编码调制信号注入位置到1 GHz倍频以后,如图 9虚线标注,这样倍频次数为9次,同样计算出理论相噪恶化为20lg9=20×0.954≈19 dB。根据先后2种注入方式的计算对比,理论相差39 dB-19 dB=20 dB。可见,调整注入方式能有效提高编码调制信号的相位噪声及近端杂散等指标。
4 测试验证将基于任意波形发生器产生的修正指令编码信号调制到载频信号上,利用Agilent E4447A带相位噪声功能的高性能频谱仪观察编码调制信号的杂散抑制比和相位噪声。经过测量,信号的杂散抑制比明显提高,供电电源、晶体滤波器等器件不可避免带来的随机杂散,但测试结果在多普勒通带内杂散优于80 dB,相噪降低约4 dB。
采用该方法完成导引头信号源研制后,针对不同型号的导引头对SFV性能进行测试,测试结果均优于指标要求。结果表明,该方法能够准确定量分析不同导引头SFV的性能,提高了测试准确度,也为不同型号间SFV性能提升提供了判断依据。
5 结论本文基于双通道任意波形发生器,提出了一种通用无线电修正指令编码信号的实现方法,通过改变写入任意波形发生器的数据,再调制到微波信号上,实现导引头测试所需的制导信号,并经过试验验证是可行的。
1) 该方法与以往采用自制电路板的编码调制器相比, 无需更换硬件或重新设计, 节约了生产成本; 软件也不需要重新烧写, 只要重新设置参数并加载, 就能实现任意编码信号之间的切换, 缩短了研制周期, 节约了人力成本。
2) 有效降低了信号杂散, 通过调整调制方式, 优化了相位噪声, 大大提高了导引头泄漏下能见度的测试准确度。
3) 该方法优化了批产过程中泄漏下能见度技术指标的质量控制, 也为后续型号产品泄漏下能见度性能的提升奠定了坚实的基础。
另外, 在实际工程应用中, 该方法可以实现多个型号通用, 避免了专用信号源研制人力和资源的浪费。
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