一种基于PXI总线架构的电磁环境模拟器

摘要

本发明属于电磁环境信号模拟技术领域，公开一种基于PXI总线架构的电磁环境模拟器，包括PXI机箱、若干PXI机箱功能模块、上下变频器、磁盘存储阵列。其中PXI机箱功能模块包括：主控制器模块、矢量信号分析模块、信号处理模块、矢量信号收发模块、第一矢量信号发生模块、第二矢量信号发生模块、第一任意波形发生模块、第二任意波形发生模块、磁盘阵列模块、主机箱扩展模块、从机箱扩展模块。本发明能够利用一部装置就可以同时模拟多种辐射源的信号生成装置，即能够同时模拟多部独立工作的雷达/通信、雷达/通信干扰以及背景信号模拟器，架构开放、可编程可重构性强，还可大大降低模拟资源开销，节约成本。

说明书

技术领域

本发明属于电磁环境模拟技术领域，尤其涉及一种基于PXI总线架构的电磁环境模拟器，能够同时模拟多部雷达/通信辐射源以及背景电磁环境的信号生成。

背景技术

随着现代信息技术的飞速发展，各国各种新式电子信息系统的研制使用以及动态博弈，使得电磁环境的复杂多变表现得更加突出和剧烈，极度不确定性、快速变化性等特性深刻影响着电子信息系统的工作性能和应用效能，造成了电子信息系统的电磁环境适应性问题。充分认识电磁环境特性，利用有限资源构建电磁环境，使其在场景、内在特征及变化规律等方面均符合真实环境情况，是随着电子信息系统发展及解决电磁环境适应性问题等而提出的重大现实需求。

事实上，在开展电子信息系统电磁环境适应性研究及系统试验测试时，要构建需要的电磁环境，由于专用模拟器的功能限制，往往需要多部雷达/通信、雷达/通信干扰以及背景信号模拟器来完成所需信号的生成，这无疑会导致大量人力、物力等成本的开销。因此，灵活高效的电磁环境模拟方法，动态化、模块化、可重构的模拟系统开发，实现利用一部装置就可以同时模拟多种辐射源的信号生成等成为迫切的需求。

发明内容

为了克服现有专用模拟器的性能功能约束，并充分考虑硬件的通用性，本发明提供了一种基于PXI总线架构的电磁环境模拟器，采用开放式架构、软件化编程的软硬件结合方法，能够利用一部装置就可以同时模拟多种辐射源的信号生成装置，即能够同时模拟多部独立工作的雷达/通信、雷达/通信干扰以及背景信号模拟器。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于PXI总线架构的电磁环境模拟器，包括主从PXI机箱，主PXI机箱通过MXI-Express Gen3 x16机箱级联线与从PXI机箱相连，所述主PXI机箱包括：连接机箱背板总线的主控制器模块、矢量信号分析模块、信号处理模块、矢量信号收发模块、第一矢量信号发生模块、磁盘阵列模块、主机箱扩展模块，其中，矢量信号分析模块输入端设置有环境信号接口，第一矢量信号发生模块输出端设置有通信信号/多路信号的接口；磁盘阵列模块和磁盘存储阵列通过x8有线PCI Express电缆相连；所述从PXI机箱包括：连接机箱背板总线的第二矢量信号发生模块、第一任意波形发生模块、第二任意波形发生模块、矢量信号收发模块、第一矢量信号发生模块、从机箱扩展模块，第一任意波形发生模块输出的脉冲信号通过SMA接口的射频传输线与第二矢量信号发生模块相连，第二任意波形发生模块输出的调频调相信号通过SMA接口的射频传输线与第二矢量信号发生模块相连；第二矢量信号发生模块输出端设置有雷达信号的接口；矢量信号收发模块第一数据端通过上下变频器与转发干扰信号接口相连；矢量信号收发模块第二数据端设置有数据信号线与转发干扰信号/通信信道模拟信号的接口；第一矢量信号发生模块输出端设置有通信雷达干扰信号/背景信号的接口。

上述技术方案中，所述PXI机箱（数量2），用于装载各PXI功能模块，综合PXI功能模块的数量、功耗、散热三方面因素，采用主从两个PXI机箱来装载各PXI功能模块。机箱中具有高性能的PXI背板，该背板包括传统的PCI总线，定时总线以及触发总线，同时还包括专用的10MHz系统参考时钟、PXI触发总线、星形触发总线和槽与槽之间的局部总线，在保持PCI总线所有优势的同时，满足高级定时、同步和相邻槽直接通信等应用中的需求。

上述技术方案中，所述主控制器模块，用于生成对其他PXI机箱功能模块的控制命令和仿真数据，主要由微控制器组成。

上述技术方案中，所述矢量信号收发模块，用于生成频率范围30MHz ~6GHz以及最大带宽1GHz的转发干扰信号和通信信道模拟。主要由可编程FPGA芯片、时钟模块、存储器模块、AD/DA模块、上下变频模块。时钟模块、存储器模块、AD/DA模块和可编程FPGA芯片相连，AD/DA模块和上下变频器模块相连。

上述技术方案中，所述矢量信号分析模块和信号处理模块，用于接收频率范围为20Hz至18GHz以及瞬时带宽300MHz以内信号的电磁环境信号，并实现接收信号的分析工作，矢量信号分析模块用于将接收信号下变频到中频和基带，信号处理模块用于中频和基带信号的处理分析。其中矢量信号分析模块主要由前置放大模块、下变频模块、中频数字化仪模块和频率参考模块组成，前置放大模块和下变频模块相连，下变频模块和中频数字化仪模块相连，频率参考模块分别和下变频模块、中频数字化仪模块相连；信号处理模块主要由可编程的FPGA芯片组成。

上述技术方案中， 所述两块矢量信号发生模块1分别用于产生通信信号、多路通信信号和通信/雷达干扰信号、背景信号，所生成信号的频率范围为30MHz～6GHz，最大带宽为100MHz。矢量信号发生模块1由I/Q信号生成模块、矢量信号调制模块、射频信号生成模块组成，I/Q信号生成模块和射频信号生成模块相连（时钟射频线），I/Q信号生成模块和矢量信号调制模块相连（矢量信号射频线），矢量信号调制模块和射频信号生成模块相连（两路I/Q信号射频线）。

上述技术方案中， 所述矢量信号发生模块2、任意波形发生模块1、任意波形发生模块2用于生成频率范围在1GHz～18GHz、最大带宽为40MHz的雷达信号，其中任意波形发生模块1用于生成脉冲调制信号，任意波形发生模块2用于生成调频、调相调制信号，矢量信号发生模块2对任意波形发生模块1、任意波形发生模块2生成信号作上变频处理后最终生成雷达信号。

上述技术方案中， 所述磁盘阵列模块，用于传输PXI机箱功能模块和磁盘阵列之间的数据。

上述技术方案中，所述磁盘阵列，用于存储PXI机箱功能模块参数的数据。

上述技术方案中，所述上下变频器，用于生成频率范围6GHz～18GHz以及最大带宽为1GHz的转发干扰信号和雷达干扰信号。

一种基于PXI总线架构的电磁环境模拟器的模拟方法，包括雷达/通信信号模拟、雷达/通信干扰信号模拟、转发干扰信号和通信信道模拟信号模拟、多路信号模拟；

雷达/通信信号模拟方法，通过矢量信号发生模块2生成雷达信号，通过矢量信号发生模块1生成通信信号，其步骤如下：

1、选择生成雷达或通信信号的信号样式，对生成信号的基带参数进行配置；

2、对信号进行仿真建模，生成信号的I/Q数据；

3、对信号I/Q数据的射频发射参数进行配置；

4、生成矢量信号发生模块2和矢量信号发生模块1模块配置硬件驱动参数；

5、最后分别通过矢量信号发生模块2和矢量信号发生模块1的射频口，输出设置的雷达和通信信号。

雷达/通信干扰信号模拟方法，通过矢量信号发生模块1和上下变频器生成雷达/通信干扰信号和背景信号，其步骤如下：

1、选择生成雷达干扰信号、通信干扰信号或背景信号的信号样式，对生成信号的基带参数进行配置；

2、对信号进行仿真建模，生成信号的I/Q数据；

3、对信号I/Q数据的射频发射参数进行配置；

4、生成矢量信号发生模块1模块配置硬件驱动参数；

5、最后通过矢量信号发生模块1生成雷达/通信干扰信号和背景信号。

转发干扰信号和通信信道模拟信号模拟方法，通过矢量信号收发模块和上下变频器生成转发干扰信号和通信信道模拟信号，其中上下变频器用于输出6GHz～18GHz频段的转发干扰信号，6GHz以下频段的转发干扰信号和通信信道模拟信号由矢量信号收发模块输出，其步骤如下：

1、对生成转发干扰信号信号的转发参数进行配置，对通信信道模拟信号的信道参数进行配置；

2、对转发干扰信号或信道模拟信号的射频发射参数进行配置；

3、将信号生成设备生成的目标回波信号或通信信号接入矢量信号收发模块射频口，对于6GHz～18GHz频段的信号，需先接入上下变频器射频口，在通过上下变频器接入矢量信号收发模块；

5、生成矢量信号收发模块配置硬件驱动参数；

6、通过矢量信号收发模块生成转发干扰信号或通信信道模拟信号，对于6GHz～18GHz频段的信号，需将矢量信号收发模块输出接入上下变频器射频口，在通过上下变频器生成转发干扰信号或通信信道模拟信号。

、多路信号模拟方法，通过矢量信号发生模块1生成多路信号，其步骤如下：

1、选择生成多路信号对应每路的信号样式，对生成每路信号的基带参数进行配置；

2、对每路信号进行仿真建模，生成信号的I/Q数据；

3、对每路信号I/Q数据合成的多路信号的射频发射参数进行配置；

4、生成矢量信号发生模块1配置硬件驱动参数；

5、最后通过矢量信号发生模块1和生成多路信号。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

（1）整个装置采用模块化、可重构的体系架构设计，可根据新需求快速的开发重构各模块功能，可根据不同的研究测试需求在本模拟器上快速部署定制算法和测试流程；

（2）可根据需求，具备同时模拟多部雷达/通信、雷达/通信干扰以及背景信号模拟器的能力，大大降低了资源开销，节约了成本。

（3）与传统模拟器相比，本模拟器可以为电子信息系统试验测试与电磁环境效应实验提供丰富灵活的场景信号输入。

（4）本模拟器具备环境信号的采集分析功能，支持对采集场景信号的回放功能，能够更加真实的复现背景电磁环境。

附图说明

图1 是电磁环境模拟器的架构方框图；

图2 是电磁环境模拟器的硬件模块连接图；

图3 是本发明的雷达/通信信号模拟实现过程图。

图4 是本发明的雷达/通信干扰信号模拟实现过程图。

图5 是本发明的转发干扰信号和通信信道模拟信号模拟实现过程图。

图6 是本发明提供的多路信号模拟实现过程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图6所示，一种基于PXI总线架构的电磁环境模拟器，包括主从PXI机箱，主PXI机箱通过MXI-Express Gen3 x16机箱级联线与从PXI机箱相连，所述主PXI机箱包括：连接机箱背板总线的主控制器模块、矢量信号分析模块、信号处理模块、矢量信号收发模块、第一矢量信号发生模块、磁盘阵列模块、主机箱扩展模块，其中，矢量信号分析模块输入端设置有环境信号接口，第一矢量信号发生模块输出端设置有通信信号/多路信号的接口；磁盘阵列模块和磁盘存储阵列通过x8有线PCI Express电缆相连；所述从PXI机箱包括：连接机箱背板总线的第二矢量信号发生模块、第一任意波形发生模块、第二任意波形发生模块、矢量信号收发模块、第一矢量信号发生模块、从机箱扩展模块，第一任意波形发生模块输出的脉冲信号通过SMA接口的射频传输线与第二矢量信号发生模块相连，第二任意波形发生模块输出的调频调相信号通过SMA接口的射频传输线与第二矢量信号发生模块相连；第二矢量信号发生模块输出端设置有雷达信号的接口；矢量信号收发模块第一数据端通过上下变频器与转发干扰信号接口相连；矢量信号收发模块第二数据端设置有数据信号线与转发干扰信号/通信信道模拟信号的接口；第一矢量信号发生模块输出端设置有通信雷达干扰信号/背景信号的接口。

一种基于PXI总线架构的电磁环境模拟器，能够利用一部装置就可以同时模拟多种辐射源的信号生成装置，即能够同时模拟多部独立工作的雷达/通信、雷达/通信干扰以及背景信号模拟器，其软硬件架构方框图如图1所示，包括业务层、系统层、硬件层。业务层表示模拟器主要处理的业务，包括仿真控制、通信信号模拟、雷达信号模拟、干扰信号模拟、背景信号模拟、通信信道模拟和电磁信号分析等功能。系统层表示模拟器的运行操作系统和软件运行框架，模拟器运行在Windows操作系统上，软件功能基于LabVIEW语言开发，使用C++进行基础库的集成开发。

电磁环境模拟器硬件连接图如图2所示， 包括PXI机箱（数量2）、若干PXI机箱功能模块、上下变频器、磁盘存储阵列。其中PXI机箱功能模块包括：主控制器模块、矢量信号分析模块、信号处理模块、矢量信号收发模块、矢量信号发生模块1（数量2）、矢量信号发生模块2、任意波形发生模块1、任意波形发生模块2、磁盘阵列模块、机箱扩展模块1、机箱扩展模块2。其中，两个PXI机箱通过机箱扩展模块1、机箱扩展模块2通过MXI-Express Gen3 x16机箱级联线相连；矢量信号分析模块和信号处理模块通过PXI机箱背板总线相连；任意波形发生模块1、任意波形发生模块2和矢量信号发生模块2通过SMA接口的射频传输线相连；矢量信号收发模块、一块矢量信号发生模块1 和上下变频器通过SMA接口的射频传输线相连；磁盘阵列模块和磁盘存储阵列通过x8有线PCI Express电缆相连；主控制器模块和其他PXI机箱功能模块通过PXI机箱背板总线相连。

如图2所示PXI机箱（数量2），用于装载各PXI功能模块，综合PXI功能模块的数量、功耗、散热三方面因素，采用主从两个PXI机箱来装载各PXI功能模块。机箱中具有高性能的PXI背板，该背板包括传统的PCI总线，定时总线以及触发总线，同时还包括专用的10MHz系统参考时钟、PXI触发总线、星形触发总线和槽与槽之间的局部总线，在保持PCI总线所有优势的同时，满足高级定时、同步和相邻槽直接通信等应用中的需求。

如图2所示主控制器模块，用于生成对其他PXI机箱功能模块的控制命令和仿真数据，主要由微控制器组成。

如图2所示矢量信号收发模块，用于生成频率范围30MHz ~6GHz以及最大带宽1GHz的转发干扰信号和通信信道模拟。主要由可编程FPGA芯片、时钟模块、存储器模块、AD/DA模块、上下变频模块。时钟模块、存储器模块、AD/DA模块和可编程FPGA芯片相连，AD/DA模块和上下变频器模块相连。

如图2所示矢量信号分析模块和信号处理模块，用于接收频率范围为20Hz至18GHz以及瞬时带宽300MHz以内信号的电磁环境信号，并实现接收信号的分析工作，矢量信号分析模块用于将接收信号下变频到中频和基带，信号处理模块用于中频和基带信号的处理分析。其中矢量信号分析模块主要由前置放大模块、下变频模块、中频数字化仪模块和频率参考模块组成，前置放大模块和下变频模块相连，下变频模块和中频数字化仪模块相连，频率参考模块分别和下变频模块、中频数字化仪模块相连；信号处理模块主要由可编程的FPGA芯片组成。

如图2所示两块矢量信号发生模块1分别用于产生通信信号、多路通信信号和通信/雷达干扰信号、背景信号，所生成信号的频率范围为30MHz～6GHz，最大带宽为100MHz。矢量信号发生模块1由I/Q信号生成模块、矢量信号调制模块、射频信号生成模块组成，I/Q信号生成模块和射频信号生成模块相连（时钟射频线），I/Q信号生成模块和矢量信号调制模块相连（矢量信号射频线），矢量信号调制模块和射频信号生成模块相连（两路I/Q信号射频线）。

如图2所示矢量信号发生模块2、任意波形发生模块1、任意波形发生模块2用于生成频率范围在1GHz～18GHz、最大带宽为40MHz的雷达信号，其中任意波形发生模块1用于生成脉冲调制信号，任意波形发生模块2用于生成调频、调相调制信号，矢量信号发生模块2对任意波形发生模块1、任意波形发生模块2生成信号作上变频处理后最终生成雷达信号。

如图2所示磁盘阵列模块，用于传输PXI机箱功能模块和磁盘阵列之间的数据。

如图2所示磁盘阵列，用于存储PXI机箱功能模块参数的数据。

如图2所示上下变频器，用于生成频率范围6GHz～18GHz以及最大带宽为1GHz的转发干扰信号和雷达干扰信号。

一种基于PXI总线架构的电磁环境模拟器的模拟方法，包括雷达/通信信号模拟、雷达/通信干扰信号模拟、转发干扰信号和通信信道模拟信号模拟、多路信号模拟；雷达/通信信号模拟，通过矢量信号发生模块2生成雷达信号，通过矢量信号发生模块1生成通信信号，生成过程如图3所示，其步骤如下：

1、选择生成雷达或通信信号的信号样式，对生成信号的基带参数进行配置；

2、对信号进行仿真建模，生成信号的I/Q数据；

3、对信号I/Q数据的射频发射参数进行配置；

4、生成矢量信号发生模块2和矢量信号发生模块1模块配置硬件驱动参数；

5、最后分别通过矢量信号发生模块2和矢量信号发生模块1的射频口，输出设置的雷达和通信信号。

雷达/通信干扰信号模拟，通过矢量信号发生模块1和上下变频器生成雷达/通信干扰信号和背景信号，生成过程如图4所示，其步骤如下：

1、选择生成雷达干扰信号、通信干扰信号或背景信号的信号样式，对生成信号的基带参数进行配置；

2、对信号进行仿真建模，生成信号的I/Q数据；

3、对信号I/Q数据的射频发射参数进行配置；

4、生成矢量信号发生模块1模块配置硬件驱动参数；

5、最后通过矢量信号发生模块1生成雷达/通信干扰信号和背景信号。

转发干扰信号和通信信道模拟信号模拟，通过矢量信号收发模块和上下变频器生成转发干扰信号和通信信道模拟信号，其中上下变频器用于输出6GHz～18GHz频段的转发干扰信号，6GHz以下频段的转发干扰信号和通信信道模拟信号由矢量信号收发模块输出，其生成过程如图5所示，其步骤如下：

1、对生成转发干扰信号信号的转发参数进行配置，对通信信道模拟信号的信道参数进行配置；

2、对转发干扰信号或信道模拟信号的射频发射参数进行配置；

3、将信号生成设备生成的目标回波信号或通信信号接入矢量信号收发模块射频口，对于6GHz～18GHz频段的信号，需先接入上下变频器射频口，在通过上下变频器接入矢量信号收发模块；

5、生成矢量信号收发模块配置硬件驱动参数；

6、通过矢量信号收发模块生成转发干扰信号或通信信道模拟信号，对于6GHz～18GHz频段的信号，需将矢量信号收发模块输出接入上下变频器射频口，在通过上下变频器生成转发干扰信号或通信信道模拟信号。

、多路信号模拟，通过矢量信号发生模块1生成多路信号，其生成过程如图6所示，其步骤如下：

1、选择生成多路信号对应每路的信号样式，对生成每路信号的基带参数进行配置；

2、对每路信号进行仿真建模，生成信号的I/Q数据；

3、对每路信号I/Q数据合成的多路信号的射频发射参数进行配置；

4、生成矢量信号发生模块1配置硬件驱动参数；

5、最后通过矢量信号发生模块1和生成多路信号。