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2024年5月11日发(作者:)

复杂战场电磁环境射频级仿真研究 

白玉 ,杨斌斌 ,杨承志 ,王龙 

(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) 

摘要:复杂的战场电磁环境对于如何有效评估现有电子装备的生存能力及训练电子战装备作战人员提出了严峻 

考验。介绍了一种战术与技术相融合的思想,采用战术层仿真并结合信号层仿真实现了一种高逼真度的战场电磁 

环境仿真系统。研究了典型作战场景下目标辐射源的战术与运动行为模型,结合辐射源目标数据库,将辐射源的脉 

冲描述字通过PCIE高速串行总线实时更新到FPGA板,FPGA采用DDS方案,驱动高速DAC产生不少于20路经过 

复杂调制的基带雷达信号。该方案已成功应用到某型战场电磁环境仿真系统的设计实现中。 

关键词:战场态势;FPGA;DDS;高速DAC 

中图分类号:TN974 文献标识码:A DOI:10.16157/i.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 a1. rhe complex battlefield electromagnetic environment simulation on RF 

level[J】.Application of Electronic Technique,2017,43(1):88-91. 

The complex battlefield electromagnetic environment simulation on RF level 

Bai Yu ,Yang Binbin ,Yang Chengzhi ,Wang Long 

(1.School of Electronic and Information,Shenyang Aerospace University,Shenyang 1 10136,China; 

2.Department of Electronic Countermeasures,Aviation University of Air Force,Changchun 1 30022,China) 

Abstract:The complex battlefield electromagnetic environment has made a serious ordeal for how to effectively evaluate the viability 

of the existing electronic equipment and training the pemonnel of EW equipment operator.A simulation thought of combine tactical 

and technical was proposed,with which a high fidelity of battlefield electromagnetic environment simulation system that tactical layer 

combined with signal simulation was realized.The typical operational scenarios tactics and behavior model of target radiation source 

were studied,combined with the database of target radiation source,the PDW of signal source was updated timely to FPGA board 

by the high speed serial bus PCIE,with the method of DDS,the high speed DAC was driven by FPGA to produce no less than 

20 complex modulation baseband radar signals.The method has been successfully applied to the design of a certain type of battle— 

ifeld electromagnetic environment simulation system. 

Key words:battlefield;FPGA;DDS;high speed DAC 

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 

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 

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。 

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 

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] 

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 

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 

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 

基金项目:国家自然科学基金项目(61571462) 

复杂战场电磁仿真系统的整体结构包括战术层仿 

88 欢迎网上投稿WWW.ChinaAET.corn 

《电子技术应用》2017年第43卷第1期 

嵌入式技术Embe d nnology 

和信号层仿真两个方面。战术层仿真由运行在计算机 

板仁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 

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 

高速串行总线,将辐射源的脉冲描述字实时更新到信号 

产,£板;信号产生板主要完成信号层的仿真,其主要由 

到高逼真度的射频级雷达信号。 

片高性能的FPGA芯片和一块高速DA芯片组成,信 

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 

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 

去,即可完成高逼真度的战场电磁环境的仿真再现。 

祭个仿真系统的结构如图1所示。 

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 

[二二二二 壁固二二 

战场电磁佰峙产生控制软件 

信号层仿真 

基带雷达信号渊 

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1 5I,在FPGA中使用多个该模块 

图I系统的总体结构 

来产生所需的信号。雷达信号的一般表达 

式如下所示[61: 

2战术层仿真 

战术层仿真南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 Stu. 

S(£)= (t)xsin(2 ̄tf(£)+咖(£)) (1) 

其中,A(t)表示信号的时域包络,f(t)为信号的频率调制 

函数,咖(£)为信号的相位偏移调制函数。对式(1)作离散 

化,可得其离散形式为: 

/ —l f n—I l 

dio 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13 

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 编辑。需要编辑的辐射源参数包括:雷达型号、国 

s(n)=sin(∑(∑K( )+n( ))+ (n)) 

u \0 

(2) 

其中,K(n)为n时刻的调频斜率,力(n)为n时刻的频率 

偏移。 (,z)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。 

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 

(地而武器控制雷达、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 

在信号层仿真中,使用FPGA来产生多路复杂调制 

. 

蠢一i i一’一一 一 巧 ‘ 饭『.一一 

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 

L-一--_.…

H 

…一_.._.._._..一…J 

图2基带雷达信号源的体系结构 

89 

《电子技术应用》2017年第43卷第1期 

Embedded Technology 

————

几一] 

但FPGA无法工作在如此高的频率下,故采用8个并行的 

信号产生单元IP核来产生一路基带雷达信号,这样每个 

信号产生单元的工作时钟便降低为350 MHz。以宽带线 

性调频信号(Wideband Linear Frequency Modulation Signal, 

擎 

图3 DDS模块结构原理框图 

WLFM)为例,假设需要输出的WLFM信号脉宽为 ,带 

宽为B,重复周期为 ,起始频率为 ,初相为 ,调频 

n 

斜率k为 。设单路雷达信号的每个信号生成单元的 

丁 

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 

初始频率和初始相位分别为 和 ,则 和 分别为: 

kn+fo n∈{0,1,2…7} 

2 

It

(3) 

(4) 

= 

_k+,毛 + 0 n∈{0,1,2…7} 

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 

由于用8个信号产生单元来生成同一路雷达信号, 

则每个信号产生单元的调频斜率K(n)均为k,即: 

kl=后2= = i∈f0,1,2…7} (5) 

由于D/A芯片实时采样率为2.8 GHz,故在FPGA 

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。 

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I=1传输数据,且每个端口采用双倍时钟速率DDR来 

图4信号产生单元IP核的结构框图 

采集数据,即在时钟的上升沿和下降沿同时采集数据, 

3.2 FPGA与高速DAC的接口设计 

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 

本设计中信号层硬件系统主要由1块Xilinx公司高 

性能FPGA芯片XC7VX690T、1块ADI公司高速D/A芯片 

AD9129和1块时钟芯片AD9517组成r5J。硬件系统结构如 

图5所示。设计要求输出的基带雷达信号瞬时带宽大于 

950 MHz,这就要求D/A芯片的采样速率至少在2 000 MHz 

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。 

以上,设计中选用了ADI公司具有14 bit DAC量化的高性 

能数模转换芯片AD9129,其实时采样率可高达2.8 GHz。 

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2O部雷达信号的仿真的设计要求。FPGA资源 

一一 一—.— —.一一—.一一一一一一一一—.—.—.一一一一一— — ———. 

消耗如表1所示。 

图5硬件系统结构图 

在战术层仿真软件中设置作战场景f8],战场上存在 

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《电子技术应用》2017年第43卷第1期 

Embedded Technology 

表1 FPGA资源消耗情况 

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 

【1】任翔宇,曲珂,刘丽,等.美军赛博靶场建设发展现状与 

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。 

特点研究[J】.飞航导弹,2015(4):60—65. 

[2]张杨,石川,耿宏峰,等.空战场雷达电磁环境仿真系统 

设计与实现[J].火力与指挥控制,2015(10):172—177. 

【3】游敬云,赖兰剑.电子战复杂电磁环境模拟技术[J】.中国 

 一

表2目标辐射源的仿真参数设置 

¨l一 ' _ 

5):517—520.

; 一一 . lll_一一0 频  _ll警  蟀 ;r《J 

电子科学院研究学报,2014,9( 

{ 

与分析【J].电讯技术,2014(10):1396—1400. 

[4]孟路稳,周沫,曾浩,等.高分辨雷达目标回波信号模拟 

【5】顾赵宇,王平,傅其详.一种基于DDS的信号源的设计与 

实现【J].现代电子技术,2015(5):51-53. 

【6】王龙,杨承志,吴宏超,等.基于FPGA的数字基带多模 

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个点导人MATLAB软件中进 

雷达信号源设计【J].电子技术应用,2016,42(8):87—90. 

[7]Xilinx Corporation.LogiCORE IP DDS Compiler v6 0[EB/ 

OL].(2013—11—18)[2016—08—24].http://www.xilinx.eom/ 

suppon/documentation/ip

documentation/pgl41一dds-com- 

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 

piler.pdf. 

[8]谢东来,孙洪星,张万泽,等.兵力生成仿真系统中的电 

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。 

3 

磁环境仿真[J】.系统仿真学报,2013(s1):178—181. 

f9]柳春,甘泉.基于FPGA的雷达信号源设计[J].电子技术 

应用,2013,39(11):47—49. 

【10】王硕,马永奎,高玉龙,等.基于FPGA的改进结构的DDS 

2 

' 

设计与实现【J].电子技术应用,2016,42(3):28-30. 

(收稿日期:2016—08—24) 

1 

。 

2 

o o面0 …0 0 o “ 2 。 0 

时间/s 

(a)信号的时域波形 (b)信号的频域波形 

作者简介: 

白玉(1969一),女,硕士,副教授,主要研究方向:嵌入 

图6仿真结果 

式系统。 

杨斌斌(1991一),通信作者,男,硕士研究生,主要研究 

方向:航空电子信息系统,E—mail:l119309892@qq.com。 

杨承志(1974一),男,博士,教授,主要研究方向:低截 

获概率雷达信号侦察技术。 

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 

(上接第87页) 

biochemical oxygen demand using an improved T-S fuzzy 

作者简介: 

陈双叶(1970一),男,博士,副教授,主要研究方向:智 

neural network【J].Chinese Journal of Chemical 

Engineering,2014,22(12):1254—1259. 

能测控技术、物联网技术、智能家居。 

徐文政(1989一),男,硕士研究生,主要研究方向:智能 

测控技术。 

[15】GB/T18883—2002.室内空气质量标准【S]. 

(收稿日期:2016—08-07) 

丁双春(1992一),男,硕士研究生,主要研究方向:智能 

测控技术。 

《电子技术应用》2017年第43卷第1期 

9l 

本文标签: 信号战场辐射源