基于软件无线电的雷达电子战系统设计研究

袁兴鹏，陈正宁

（91336部队 河北 秦皇岛 066326）

软件无线电的核心思想是在构建一个具有开放性、标准化的通用硬件平台基础上，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等通过软件编程来实现，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线电系统。软件无线电的概念虽然是从军事通信领域产生并迅速发展起来的，但是软件无线电的这种新概念、新理论、新技术对于我们从事的雷达电子战仿真这个领域具有极其重大的应用价值。

雷达电子战系统的发展可以分为模拟和数字两个阶段。在数字阶段，现阶段基本发展方向是沿着将已有模拟接收机数字化，结合数字信号处理技术及器件的飞速发展，逐步向宽带、超宽带数字接收机方向靠近。基于软件无线电的雷达电子战系的电概念就是在数字化阶段提出来的，其思想就是把原来一些用硬件实现的功能尽可能地用软件去完成，尽量减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理（A/D和D/A变换）尽量靠近天线，使雷达电子战系统具有可编程、可扩展及灵活性高的特点。

1 软件无线电的基本原理

软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现系统的各种功能，从基于硬件、面向用途的专用系统的设计方法中解放出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件配置，尤其是减少模拟环节，把数字化处理（A/D和D/A变换）尽量在射频段。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件的更新改变硬件的配置结构，实现多样化的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以便于硬件模块的不断升级和扩展。理想的软件无线电的组成结构图如图1所示。

图1 软件无线电结构图Fig.1 Software radio system architecture

软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D和D/A转换器、通用和专用数字信号处理器及各种软件构成。射频前端在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等功能，接收时实现滤波、放大、下变频功能。DSP实时信号处理模块主要用来处理前端接收下来的信号或将要从功放发射出去的信号，对信号进行频谱分析、解调、类型识别以及进行数字上下变频、各种数字调制、数字滤波、编码等等。

2 软件化雷达电子战系统功能需求分析

2.1 软件化雷达电子系统设计需求分析

雷达电子战系统主要功能是是：1）截获射频信号；2）从截获到的信号中分离出雷达信号；3）测量所选信号的参数；4）引导雷达干扰设备实施干扰。现代雷达电子战系统种类繁多，但总的说来尚无一种系统能满足电子侦察和干扰的所有要求。传统的雷达电子战系统的接收机采用模拟方法实现，在接收过程中由于模拟器件的限制，极易导致信号的频率和相位等方面的信息丢失，系统可变性差。常规接收机系在宽带信号接收中都具有一定的局限性。系统适应能力及反应时闯无法满足电子侦察要求。所以研究开发工作频段宽，接收适应能力强，扩展性好，系统可变性强，能够适应多种信号的侦察接收机，是电子战发展的必然要求。

通信领域软件无线电的成功应用为电子侦察系统的发展提供了一种理想的模式软件化的雷达电子战系统。所谓软件化雷达电子战系统是指基于软件无线电原理，利用可编程器件对目标信号进行分析识别、特征提取和参数测量，通过更改运行于可编程器件上的软件，实现对目标侦察信号进一步分析处理的电子战侦察分析接收机，并将需要干扰的威胁目标，通过信号生成系统转发产生相应的干扰信号。

2.2 雷达电子战系统模型的功能模块化构成

在进行具体的软件无线电雷达电子战系统的设计时需要对系统进行功能建模，按典型的雷达电子战系统物理结构来进行功能模块划分。功能模块划分在结构上具有层次化，每一层模块可以通过下层基本模块构建。根据雷达电子系统模块化特点和层次化建模原则，将雷达电子战系统分为雷达侦察和雷达干扰两大模块。

雷达侦察模块主要由天线模块（一般包括测频、测向等部分）、接收机模块、信号处理模块（一般由预处理机和主处理机两部分组成）、显示操控模块、记录系统模块；雷达干扰模块主要由干扰控制计算机、干扰样式控制模块、功率管理模块和发射天线阵模块等部分组成。

上面将雷达电子战系统的软件化进行了模块化分析，其模块的具体功能结构组成以及模块间的关系如图2所示。

图2 电子战系统的软件化功能模型图Fig.2 Function model diagram of EW system

3 软件无线电雷达电子战系统的结构设计

3.1 软件化雷达侦察系统设计

软件化雷达侦察系统设计是指基于软件无线电原理而实现的用于对目标信号进行分析识别、特征提取和参数测量的电子战雷达接收机。这种接收机是一种多频段、多模式、多功能的电子战雷达接收机。这种接收机对波形的适应性要求更高，对信号分析处理的功能要求更强，而且频带要求更宽。接收机模拟各种体制雷达接收机的工作原理，信号处理单元完成对各种雷达信号处理模式的仿真，以及各种抗干扰技术的工作原理。

这种电子战雷达接收机由可以覆盖几乎整个无线电频段。但目前还不能采用射频直接采样技术来对射频信号进行数字化，因此，必须借助模拟处理技术把宽带信号变换为适合于A/D采样的中频信号，然后进行采样数字化，其构成如图3所示。

图3 软件化电子战雷达接收机结构图Fig.3 Software radio structure diagram of electronic warfare radar receiver

模拟前端变换电路是为了适应宽频段变换的要求而设置的模拟信号处理环节。模拟处理环节还设置了多个通道以对应不同的频段。信号前端电路经过滤波、放大和混频，被变换成中频信号。中频信号分两级，一中频信号的中频频率将根据不同的频率值，以能较好地满足互调抑制、中频抑制、镜像抑制等要求。不同的一中频信号再经过中频变换为系统的二中频信号。二中频信号被放大到足够电平后，送到高速A/D进行采样数字化，高速A／D数据再送到后续的正交数字下变频单元，进行正交变换和采样率变换，得到与信号带宽相适应的正交低速率数字信号，以便于后续的DSP进行目标信号特征提取与分析识别和参数测量。同时该组成方式也可对电子战雷达侦察机进行准实时仿真，根据软件加载的不同实现信号的分选，信号的特征分析及“指纹”提取。

3.2 软件化雷达干扰系统设计

软件化雷达干扰系统就是采用软件实现各种干扰样式的形成以及干扰信号整个产生过程。开放式的硬件平台只涉及发射信号的载频特征，发射信号的内部特征完全有不同的软件来定义。这样的干扰样式可控，完全适应了目标信号变化。其系统组成与软件化电子战信号环境模拟器的相似。其原理图如图4所示。

图4 软件化干扰发射机的结构图Fig.4 Software radio structure diagram of jamming transmitter

4 雷达电子战软件无线系统关键技术

将软件无线电技术应用于雷达导引头设计受到一些软硬件技术水平的制约。需要进行研究的主要关键技术有：高速A/D及D/A技术、高速并行DSP技术、系统建模技术等。

4.1 宽带/多频段天线与RF模块

现代雷达电子战系统，工作频段越来越宽，低截获雷达威胁越来越多，因此，需要实现宽带高灵敏度侦收是雷达电子战系统中亟待解决的问题。宽带/多频段天线与RF模块是软件无线电不可替代的硬件出入口。软件无线电要求天线能覆盖所有频段，能用程序控制方法对其功能及参数进行设置。可采用智能化天线技术。 智能天线也称自适应阵列天线，由天线阵、波束形成网络、波束形成算法3部分组成。它通过满足某种准则算法调节各阵元信号的加权幅度和相位，进而调节天线阵列的方向图形状，来达到增强所需信号，抑制干扰信号的目的。

射频部分包括预放大和功率输出两部分。射频发射机和接收机，由通用平台和多个射频发射机模块组成，其工作频带应足够宽，并采用数字频率合成技术设置，对每种标准应能够多载波工作。发射机包括多只高功率放大器，要求具有高线性。

4.2 高速数据采集转换技术

数字化是软件无线电的基础，模拟信号必须经过采样转化成数字信号才能用软件进行处理。软件无线电体系结构的一个重要特点是将A/D和D/A尽量靠近射频前段。A/D和D/A器件在软件无线电中的位置非常关键，它直接反映了软件无线电系统的软件化可操作程度。为减少模拟环节及适应错综复杂的电磁环境，要求A/D器件具有较高的采样频率、较高的工作速度、较宽的工作带宽和较大的动态范围。在设计无线电系统时，选择模数器件依据的性能指标有：信噪比、转换灵敏度、无散杂动态范围、非线性误差、互调失真、全功率模拟输入带宽等。

A/D器件性能的局限及采样时引入的频谱混迭、量化误差等，会对软件无线电台的性能产生不良影响，但这种影响尚缺乏定量分析。软件雷达电子战系统要求A/D和D/A尽量靠近射频，靠近射频采样要求A/D具有很高的采样速率。雷达电子战系统一般要求很高的动态范围，所以A/D变换器必须具有较多的位数。在系统设计中，拟采用DR公司的DR PMC/XMC AD变换和数字下变频器模块。该模块内部集成了高精度、高速AD采样和数字下变频器，采用PMC/XMC形式，具有4路通道数处理能力，14位的采样位数，最大采样率125 MHz，可以满足单通道的高速采集的应用。在既有单片ADC技术的基础上，要进一步提高其采样速率和工作带宽，目前主要有两种方案：基于时间交替采样的并行多路ADC技术和基于子带划分的并行多路ADC技术。

4.3 高速并行DSP技术

雷达电子战系统信号处理的主要任务对输入的实时PDW信号流进行辐射源分选、参数估计、辐射源识别、威胁程度判别和作战态势判别等。DSP是软件无线电必需的基本器件，是其灵魂和核心所在。系统在射频或中频（IF）对接收信号进行数字化处理，通过软件编程灵活地实现宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字上下变频、调制解调、差错编码、信令控制、信源编码及加解密功能。接收时，来自天线的信号经过RF处理和变换，由宽带A/D数字化，然后通过可编程DSP模块进行所需的各种信号处理，处理后的数据信号送至多功能用户终端。发送时，通过类似接收信号处理流程的逆过程将数据通过天线发射出去。可见，软件无线电的灵活性、开放性、兼容性等特点主要是通过以数字信号处理为中心的通用硬件平台及DSP软件实现的。

目前的DSP无论在功能上还是在性能上，都不能满足无线电的要求，很难用单片DSP直接处理宽带射频或中频信号，可以先采用数字变频技术对宽带射频或中频信号进行处理，然后再用DSP完成各种信号处理功能。数字变频的组成与模拟变频组成类似，包括数字混频器、数字控制振荡器和低通滤波器三部分，所不同的是数字变频采用正交混频。数字变频具有载频和数字滤波器系数可编程性、不存在非线性失真、频响特性好及造价低等优点。

软件雷达电子战系统的DSP要求具有很强的实时性、数据量大，即对信号的处理时间不能超过预定的帧周期。由于很大一部分模拟电路由软件实现，DSP必须采用较为复杂的算法，具有极高的运算速度。使用单处理器结构很难满足要求。雷达侦察系统是多通道结构本身就是并行的，非常适合并行处理。采用通用的高性能POWER PC处理器组成的处理板，该处理器板由MOTOROLA公司生产，型号为MVME6100。该处理器具备板载的双通道PMC接口，接口标准为PCI－X，64 bits/66，100 MHz。数字信号处理芯片具有很强的数据处理能力和非常高的运算速度，并可以方便地构成多种高性能的多处理器并行系统，解决软件雷达电子战系统的信号处理难题。

4.4 数字仿真模型计算技术

模型是仿真的基础，对于雷达电子战系统的仿真来说，首先就要对雷达侦察系统和雷达干扰系统进行模型分析。雷达电子战系统的建模，以真实的雷达电子战系统的物理结构为背景，以已有的电子战系统数学模型为基础，在此基础上对模型进行层次化、模块化处理，建立系统的、功能明确的和通用的模块化模型。电子战系统虚拟样机模型采用分层结构，主要包括系统模型、基本单元模型。系统模型是雷达电子战虚拟样机的骨架，属于电子战虚拟样机模型的顶层，系统模型的建立决定了系统的工作机理。

通过对软件化雷达电子战系统模型的分析，系统的基本单元模型主要有以下几类：

1）显示控制模型：文本单元模型、波形单元模型、文件单元模型、I/O单元模型以及操作台控制单元模型等；

2）信号处理模型：D/A转换模型、A/D转换模型、时域频域变换模型以及参数分选模型等；

3）微波射频模型：滤波器模型、开关模型、本振源模型以及波导传输模型等；

4）功率模块模型：放大器模型、衰减器模型以及功率管理模型等；

5）天线模型：波束控制模型、天线扫描模型以及天线极化方式模型等。

雷达电子战系统的大部分功能模型由软件完成。系统需要多同时到达信号情况下的快速信号检测、分离、调制类型识别和参数估计。目前，基于原子分解和EM算法、高阶统计量、神经网络、循环信号处理和时频分析的方法性能良好，但运算量很大，不易实时处理。因此，需要研究快速的算法解决这一问题。软件算法设计和验证在系统设计和升级改进中占据了非常重要的地位，整个系统的性能和可靠性很大程度上取决于软件算法的性能。

5 结束语

将软件无线电[12]思想引入到雷达电子战系统设计研究，使用系统具有结构简单、可靠性高、易于维护升级、抗干扰性能强等优点，随着硬件性能提高以及数字信号处理技术水平的发展，新一代先进采用软件无线电技术的雷达电子战系统已经成为必然趋势。

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