基于软件无线电平台实现国防与航空航天中的射频与微波应用

基于软件无线电平台实现

国防与航空航天中的射频与微波应用议程国防与航空航天领域的微波与射频应用基于软件无线电架构的NI射频与微波平台应用详解测试:雷达性能参数测试无线收发系统:无线电遥测遥控更多应用举例射频与微波技术在

国防与航空航天领域中的应用航电系统研究与测试电台技术研究与测试飞行器/航天器遥测遥控电子战研究导航与定位雷达研究与测试基于软件无线电架构的NI射频与微波平台驱动LabVIEW

/LabWindows/CVI及相关工具包多核处理矢量信号发生器/分析仪射频开关放大器/衰减器功率计FPGA矢量网络分析仪数据记录与回放PXIExpress雷达性能参数测试应用举例一雷达雷达系统分类按用途分为对空情报雷达(对空搜索雷达)、预警雷达、气象雷达、制导雷达等按技术可分为脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达、相控阵雷达等雷达性能参数测试研制生产阶段和使用阶段都会涉及涉及射频与微波测量的测试内容整机性能参数工作频率、发生功率、整机功耗、整机改善因子、整机杂波可见度、整机噪声系数、探测范围、探测精度、探测分辨力…分系统性能参数天馈分系统:天线方向图、天线增益、驻波比、馈线损耗接收分系统:中心频率、带宽、增益、灵敏度、噪声系数等…发射分系统:输出功率、发射机功率、工作频率、脉冲频谱等…基于PXI的雷达性能参数自动测试系统矢量网络分析仪矢量信号发生器(合成扫频信号源)矢量信号分析仪(频谱分析仪)示波器…等可编程放大器/衰减器微波开关组PXI/PXIExpress总线系统控制器微波功率计雷达目标模拟器USBGPIB信号接口适配器被测雷达系统天线分系统测试软件馈线分系统测试软件发射分系统测试软件接收分系统测试软件信号处理分系统测试软件伺服分系统测试软件软件基于PXI的雷达性能参数自动测试系统矢量网络分析仪矢量信号发生器(合成扫频信号源)矢量信号分析仪(频谱分析仪)示波器…等可编程放大器/衰减器微波开关组PXI/PXIExpress总线系统控制器微波功率计雷达目标模拟器USBGPIB信号接口适配器被测雷达系统天线分系统测试软件馈线分系统测试软件发射分系统测试软件接收分系统测试软件信号处理分系统测试软件伺服分系统测试软件软件大部分设备可采用通用测量仪器专用测量仪器硬件系统系统控制器通过PXI以及其他仪器总线接口控制所有仪器/设备的状态配置及数据传输(产生对雷达系统的激励,并采集响应信号)相当于系统的中心,运行所有软件测量仪器/设备组通用测量仪器和专业测量设备微波开关组切换控制也通过控制器运行相应软件自动实现信号接口适配器综合性能测试软件开始系统自检/校准天线分系统检测馈线分系统检测发射分系统检测工作频率发射功率发射脉冲频谱发射机改善因子接收分系统检测信号处理分系统检测伺服分系统检测雷达综合性能测试功能模块结果存储、报告打印结束雷达接收机/处理机测试数字信号处理机90雷达数据处理机ADCADC基带放大器第二级IF放大器第一级IF放大器LNA雷达接收机/处理机测试数字信号处理机90雷达数据处理机ADCADC基带放大器第二级IF放大器第一级IF放大器LNA射频/微波信号注入中频信号注入基带I/Q信号注入数字基带信号注入雷达接收机/处理机测试数字信号处理机90雷达数据处理机ADCADC基带放大器第二级IF放大器第一级IF放大器LNA射频/微波信号注入中频信号注入基带I/Q信号注入数字基带信号注入矢量信号发生器支持I/Q信号生成的任意波形发生器高速数字I/O雷达系统测试需要的激励信号信号类型测试应用技术要求对应NIPXI模块正弦信号替代本振、ADC等组件性能测试功率、频率精确度、相位噪声连续波发生器调制信号接收机测试或关键部件性能测试功率、频率精确度、调制带宽、调制精度…矢量信号发生器失真信号接收机测试或关键处理器性能测试信号带宽、幅度精度…任意波形发生器基带信号模拟或数字基带电路性能测试信号输出能力、更新速率、数字接口形式任意波形发生器、高速数字I/O部分雷达信号类型及特点信号类型主要用途简单脉冲信号雷达常用信号频率捷变信号雷达抗干扰研究与测试PRI捷变信号脉冲多普勒等雷达极化捷变信号雷达抗干扰研究与测试频率分集信号雷达抗干扰研究与测试双脉冲信号抗干扰技术研究与测试(仿真回答式干扰信号)脉冲压缩信号预警雷达与高分辨力雷达连续波信号目标测速、雷达高度计、防撞雷达等脉冲编码信号用于航管，敌我识别和指令系统等相参脉冲串信号是一种大时宽信号，用于搜索和跟踪雷达应用相位相干多路信号相控阵雷达均可以通过NI矢量信号发生器及其他模块化仪器编程生成发射分系统测试发射机大功率定向耦合器雷达天馈系统(或大功率吸收负载)检波器矢量信号分析仪(频谱分析仪)示波器功率计微波开关测量参数:发射功率工作频率发射脉冲波形参数改善因子等雷达信号的分析测试项目典型使用模块测试内容/方法输出功率USB微波功率计完成对信号的平均功率，峰值功率测试功能功率时域参数上升下降时间时间周期等PXI矢量信号分析仪频谱分析,分析信号的功率包络PXI示波器/数字化仪通过检波器后利用示波器测试信号的功率包络;通过软件进行信号功率包络、脉冲宽度、脉冲周期等的统计分析功率统计参数PXI矢量信号分析仪通过软件进行频谱计算和信号功率统计参数分析频谱参数PXI矢量信号分析仪通过软件计算信号带宽、带外杂散、谐波抑制等参数频率误差PXI矢量信号分析仪调制信号载波频率误差调制误差PXI矢量信号分析仪调制信号的信噪比(SNR)、矢量调制误差(EVM)等多通道性能测试对于相控阵雷达等基于多天线技术的雷达,需涉及多通道同步RF测试Phase-CoherentFour-ChannelPXIe-5663VSAPhase-CoherentTwo-ChannelPXIe-5673VSG基于PXI的相位相干多通道RF测量PXIe-5601PXI-5652PXIe-5622ADC

PXIe-5601PXIe-5622Rx0Rx1DDCADCDDC共享本振共享时钟下变频模块中频数字化仪模块本振模块多通道RF测量:通道之间的相位差STDEV=0.045°STDEV=0.37°模块级(T/R组件)测试

S参数发射通道增益接收通道增益端口驻波幅度/相位一致性…功率参数输出功率1dB压缩点…失真参数谐波三阶截断点(TOI)…其他参数脉冲包络噪声系数…T/R组件测试测试功能常用NI仪器端口驻波比传输增益参数传输相位参数功率压缩点PXI矢量信号分析仪交调失真带外杂散相位噪声调制失真PXI连续波信号发生器/PXI矢量信号发生器PXI矢量信号分析仪(频谱分析仪)输出功率USB微波功率计脉冲时间参数组件响应信号分析PXI高速数字化仪NIPXIe-5630矢量网络分析仪可在同一PXI机箱内实现八个VNA的同时并行测试结合PXI微波开关可实现VNA的复用丰富的现成软件工具

用于雷达性能参数测试中的信号生成、处理与分析信号处理WindowingAveragingmodesDigitalIIRFiltersDigitalFIRFiltersInterpolationmodesLimitmaskDerivativeMultiple/dividechannelsAdd/subtractchannelsWaveformaverageChannel-to-channeldelay

频域测量THD,SINAD,SNR,SFDRSpecificharmoniclevelPowerinbandAdjacentchannelpowerOccupiedbandwidthPeakdetectionZoomFFTFrequencyresponseJoint-timefrequencyanalysisSuperresolutionspectralanalysis

调制AM,PM,FMdemodulationDigitaldemodulationFrequencydriftErrorvectormagnitudePhaseerrorMagnitudeerrorScatter/constellationplots统计分析HistogramsStandarddeviationVarianceLimitMaskTime/FrequencyPlotConstellationPlot基本工具RisetimeFalltimeFrequencyPeriodVppMinMaxCycleRMSDutycycleFFTPulsewidthAmplitudeHighLowRMSAreaCyclemeanOvershootJitterAnalysis基于PXI的雷达性能参数测试系统优势自动化程度提高一体化程度提高系统成本降低测试速度大幅提高测量精度提高长期可维护通用性基于PXI的雷达性能参数测试系统优势自动化程度提高测试过程由程序自动控制,通过软件计算将直接测量结果自动转变为测量结果除了射频模块,还可利用其它多种基于PXI的模块化仪器实现多种参数的自动测试一体化程度提高PXI模块化系统使系统的集成性更好,也更为紧凑,不仅可用于研制生产阶段的测试,也便于用于现场测试系统成本降低相比由台式仪器组成的系统,由于PXI的模块化特点,电源、处理、显示等硬件资源组件可重用,系统成本大为降低基于PXI的雷达性能参数测试系统优势(续)测试速度大幅提高PXI/PXIExpress作为一种内部仪器总线,具有最高的数据传输速度和最低的传输延时基于最新PC处理技术可大幅提高计算速度测量精度提高采用数字化仪表,降低读数误差;尽量降低人工干预,提高测量精度长期可维护模块化的特点使系统易于维护和升级,降低综合保障成本通用性符合合成仪器和软件无线电的思想,基于主流的模块化仪器平台PXI软硬件架构采用可重用性设计,不仅可用于不同型号雷达的性能测试,亦可用于其它电子装备的性能测试无线电遥测遥控系统应用举例二遥测与遥控遥测用传感器测量航空航天器内部各个分系统、姿态、外部空间环境和有效载荷的工作状况，通过无线电将这些参数传到地面站，用来判断航空航天器的工作状况遥控通过对遥测参数、姿态和轨道参数的研究和分析，发现航天器的轨道、姿态、某个工程分系统或有效载荷工作状况异常或出现故障，判断出故障部位和做出决策，向卫星发出有关命令，修正轨道和姿态，调整分系统和有效载荷的运行参数，甚至切换备份或部件无线电遥测遥控的应用卫星、火箭、导弹和无人机等航空航天装备的重要分系统实现对卫星、导弹等的跟踪、定位、工作状态监测广义的遥测遥控系统还包括了通信信道例:遥测遥控系统与卫星卫星研制阶段利用遥测遥控系统获取卫星地面试验中星上各系统的工作参数和环境数据，为检验卫星的性能及故障分析提供依据在卫星使用阶段利用遥测遥控手段接收卫星下传的遥测数据并控制卫星的工作状态等地面测控站地面测控站高速以太网地面用户中心与可视化平台航天器在轨段地面测控服务段S频段与USB体制S频段的宇宙噪声最低频率范围:2025～2300MHzUSB(统一S波段)体制卫星遥测遥控系统平台目前卫星系统中应用最为广泛典型的基带信号调制方法PCM-PSK(副载波)-PM/AM(载波)PCM-PSK-FM(中间副载波)-PM/AM(载波)高速以太网系统框图以PCM-PSK体制为例下变频器上变频器PSK解调PSK调制PCM解调PCM调制上变频器下变频器PSK调制PSK解调PCM调制PCM解调射频开关与耦合网络HPALNA总线主机天线遥测数据遥控指令自检命令自检数据遥测分系统遥控分系统高速以太网基于PXI平台的解决方案以PCM-PSK体制为例下变频器上变频器PSK解调PSK调制PCM解调PCM调制上变频器下变频器PSK调制PSK解调PCM调制PCM解调射频开关与耦合网络HPALNA总线主机天线遥测数据遥控指令自检命令自检数据遥测分系统遥控分系统多核PXIe控制器PXIe机箱集成FPGA的中频收发及处理模块上变频/下变频模块可编程前置放大器射频开关高速以太网基于PXI平台的解决方案下变频器上变频器PSK解调PSK调制PCM解调PCM调制上变频器下变频器PSK调制PSK解调PCM调制PCM解调射频开关与耦合网络HPALNA总线主机天线遥测数据遥控指令自检命令自检数据遥测分系统遥控分系统在FPGA上实现自定义的实时处理举例:PXIe-5641R中频收发器2IF输入and2IF输出14-bitADCsandDACs20MHz瞬时带宽IFsfrom3to80MHzXilinxVirtex-5SX95T

LabVIEW-programmableFPGA支持LabVIEW与C的多种NI工具包DDCs/DUCs/滤波/信道化/抽取各种调制与解调函数自定义调制格式、信道编码频谱分析、带内功率、邻道功率、突发定时、BER,EVM,MER…现成的多种通信与信号处理FPGA

IP(/ipnet)通过LabVIEWFPGA可直接导入XilinxCOREGenerator生成的IP现成软件工具加速开发案例:某卫星地面试验应用某研究所使用基于NIPXI的平台构建了USB体制地面遥测遥控系统前端,用于某卫星的地面试验,成功进行了仿真验证与测试系统硬件集成多核CPU的高性能PXIe控制器、射频信号调理模块，射频开关模块、上/下变频器模块、板载可编程FPGA的中频IF信号收发模块软件功能完成卫星遥测遥控信号的收发通过软件对遥