矢量信号源在电磁环境构建中的应用

背景

复杂电磁环境，是指在一定的空间内，由空域、时域、频域、能量上分布的数量繁多、样式复杂、密集重叠、动态交迭的电磁信号构成的电磁环境。电磁环境的复杂程度直接关系到设备效能的发挥。其复杂程度主要表现在几下方面：构成上表现为各类繁多，作用各异。空间上表现为无形无影，又无处不在。时间上表现为变幻莫测，密集交迭。频谱上表现为无限宽广，拥挤重叠。能量上表现为密度不均，跌宕起伏。样式上表现为数量繁多，波形复杂。

应用

电磁环境构建对象的选取，是构建实施的关键，应适应需求的变化和差异，围绕目标达成，切中要害进行构建对象选取。按照电磁环境的基本构成，构建对象包括对方有意电磁辐射、无意电磁辐射、自然及通用电磁辐射三种类型。

1)  对方有意电磁辐射。它是电磁环境构建的首要对象，也是电磁环境中最活跃的因素，其种类、分布、工作状态等直接决定着电磁环境的形态。对方有意电磁辐射有着鲜明的对抗属性，一般以对方设备为平台，通过削弱和破坏己方电磁应用达成目的。例如，在机载雷达监测中，如果监测天线受到十部雷达的照射，那么，构建雷达监测的电磁环境时，对方有意的电磁辐射就是这十部雷达辐射源。

2)  无意电磁辐射。它是电磁环境构建的重要对象。己方和友邻方的众多平台、体制各异的用频设备，在有限的地理空间范围内，部署密集、工作时间重叠、频谱使用拥挤，这不可避免地产生了相互干扰，严重影响设备效能发挥。对于己方、友邻方的无意电磁辐射，包括雷达电磁环境、通信电磁环境等，可以根据辐射源的分类建立来构建内容框架，按照训练的目的要求，有针对性地选取适当的构建对象。

3)  通用和自然电磁辐射。它是电磁环境构建的必要对象。通用电磁辐射主要是需求地域内的一些通用辐射源及设施在其工作时产生的电磁波，如通用雷达、广播电视发射台和其他一些通用的无线通信等。自然电磁辐射是所有非人为因素产生的电磁信号，包括静电、雷电，此外还有电子噪声、大地表面磁场与电场、宇宙射线等。它们一定程度上对电子信息系统的效能发挥造成影响，也是电磁环境构建时需要考虑的因素。

当前，复杂电磁环境构建方法总体上可分为实装构建法、模拟器材构建法、计算机仿真模型等。

实装构建法是指依据当时设备保障面临电磁环境的构成要素，使用真实的电磁辐射设备进行实物实地布设而形成复杂电磁环境的方法。该方法构建关键是要准确控制对方、我和通用各方电磁辐射设备的种类和数量。其中，对于构建所需的我方电子设备，可使用真实电子设备，但对于对方电子设备，由于很难获得，大部分还是需要通过模拟实现。这样构建出的实体电磁环境，可以使设备保障训练人员真实感受复杂电磁环境的影响，训练适用性强，效果可靠。但由于电磁环境构成的复杂性，实物实地布设对电磁辐射源种类、数量需求量大，对训练保障能力要求较高，实际操作难度比较大，经济投入也高。

模拟器材构建法使用模拟器材构建复杂电磁环境，也被称为半实物仿真，主要是用信号辐射源模拟影响设备保障实施的电磁态势，构建出复杂电磁环境。具体构建时，要在预定地域内，对设备保障有影响的电磁态势进行分析，利用功能分析法或信号分析法，通过调整各信号辐射源发射电磁信号的频率、功率，以及信号辐射方向等，灵活模拟场地电磁态势。此方法的关键在于研制信号辐射源。信号辐射源既可通过设备改装得到，也可以研制生成，由于其为专属电磁信号辐射体，在造价较低的情况下，可以模拟多种电磁信号，较为经济节约，模拟出的复杂电磁环境逼真程度较高。

计算机仿真构建是在科学分析实装设备的基础上，按照实际模式在计算机软件环境中配置影响设备保障活动的各类电磁辐射设备，构成一个立体、全方位的“虚拟场地”。利用计算机仿真技术构建设备保障训练复杂环境的一个突出特点就是，可以将虚拟设备置于虚拟电磁环境中，达到“仿真”真实场景的目的。另外，利用网络分布式交互仿真技术，还可将分散于不同地点的电磁环境模拟系统连接起来，构建一体化复杂电磁环境，使有限、分散的训练资源联为一个整体，进行协同训练。这种构建方法，能较好地评估设备保障在复杂电磁环境中所受影响;能在软件环境中进行设备指挥协同等训练;能在构建实体电磁环境时，先行在软件环境中评估设计思路和模拟效果;但不能满足真实电子设备训练对复杂电磁环境的需求，有一定的局限性。

表格 1 复杂电碰环境构建方法的对比

模拟方法	用途	使用平台或设备	优点	缺点
外场实装模拟	实装演习、协同训 练	水面舰艇、飞机，岸基或车找设备，大功率模拟器等	空间大，最具真实感	消耗大，受设备影响较大，不易构建过于复杂的电磁环境
半实物仿真	设备试验、训练	微波暗室、光电暗室、信号辐射源、光电环境模拟器及平台运动模拟设各等	环境复杂，动态性强	难以在较大区域内构建复杂环境
数字仿真	设备训练，试验结果推论，科研，效能评估	以计算机，软件，模型和网络为主的数字仿真系统	可实现各种复杂电磁环境的数字仿真	信号级模型开发工作量大，难度高

在半实物仿真方式构建复杂电磁环境时，可以使用矢量信号源作为信号辐射源的核心电子设备。

解决方案

矢量信号源是半实物仿真方式构建复杂电磁环境的关键电子设备。矢量信号源是通用电子测试与测量仪表，与专用的电磁环境模拟设备相比，具有频率范围更大、信号质量更好、可靠性更高、功能更丰富等优点。

KSW-VSG02信号源支持多种不同的方式构造复杂电磁环境。

1)  使用合成波形文件的方式可以同时产生多个信号。

复杂电磁环境构建往往需要数量较多的辐射源，如果每种辐射源使用单独的矢量信号源产生，则需要的矢量信号源数量很大，不具有经济性。一种比较经济的方法是将多个频率靠近的辐射源的信号波形在数字域合成为一个波形文件，由一台矢量信号源产生。这种方法的一个缺点是合成后的波形文件需要很高的采样率，因此波形文件会很大，需要更大的波形文件存储深度。

 

图 1  使用合成波形文件的方式产生多个信号

VSG02具有2GHz的射频调制带宽，可以将频率2GHz范围内的多个辐射信号合成为一路波形同时产生。VSG02具有6T byte的超大波形文件存储深度，可以满足合成后波形文件采样率高、需要更大波形文件存储深度的要求。VSG02的波形文件播放模式可以产生宽频带、长时间的多个信号。

2)  使用雷达信号产生软件自定义复杂电磁环境，并使用矢量信号源产生。

脉冲描述字(PDW) 描述了一部接收机接收到的每个脉冲所携带信息的重要特征。主要包括频率，幅度，相位，脉冲重复间隔(PRI)，脉宽(PW)，到达时间(TOD)，到达角(AOA)等。

VSG02具有实时PDW流接口，可根据收到的PDW信息实时产生射频脉冲信号。VSG02可与坤恒顺维公司的雷达信号产生软件配合，产生基于PDW的自定义复杂电磁环境。

 

图 2 VSG02的实时PDW接口工作原理

雷达信号产生软件根据用户设定的仿真场景计算接收机接收到的射频脉冲信号，仿真软件与矢量信号源之间使用脉冲描述字（PDW）接口进行数据实时传输，矢量信号源将根据收到的PDW信息实时产生射频脉冲信号。

雷达信号生成软件的主要功能有：

a)  脉冲编辑功能

b)  波形文件导入功能

c)  脉冲串编辑功能

d)  天线方向图、天线扫描方式编辑功能

e)  辐射源编辑功能

f)  测向接收机编辑功能

g)  场景编辑功能，支持地图上多个辐射源的运动场景编辑。

h)  场景仿真功能，根据场景信息计算PDW数据，可以保存为数据文件，也可以实时将此数据通过网口传送给矢量信号源。

 

图 3  雷达信号生成软件

 

图 4  地图场景中设置辐射源和接收机的位置及运动

3)  使用已有PDW数据库复现电磁环境。

利用已有PDW数据库来构建复杂电磁环境是一种重要的复杂电磁环境构建方式。已有PDW数据库中的数据可以来自于以前的计算机仿真或接收设备在外场采集的真实数据。

VSG02支持由PDW文件产生和回放复杂电磁环境，可以使用已有PDW数据库复现以前仿真或接收设备获得的电磁环境。但已有PDW数据库的文件格式可能与VSG02支持的PDW文件格式不同，坤恒顺维公司的雷达信号产生软件可将各种格式的已有PDW数据库转换成VSG02支持的PDW文件格式。

 

图 5  雷达信号产生软件导入已有PDW数据库并转换文件格式

综上所述，在半实物仿真方式构建复杂电磁环境的应用中，VSG02矢量信号源与其他矢量信号相比，具有以下优势：

1)  射频调制带宽大，VSG02支持2GHz射频调制带宽。

2)  波形文件存储深度大，VSG02支持6T Byte的最大波形文件存储深度。

3)  支持实时PDW流方式产生高密度、动态变化的脉冲信号。

4)  支持以PDW文件方式产生和回放已有PDW数据库中的信号。

5)  可提供雷达信号产生软件，软件可编辑自定义复杂脉冲信号，也可将各种格式的已有PDW数据库转换成VSG02支持的PDW文件格式。

总结

在信息化背景下，复杂电磁环境构建对验证和提升设备性能、提高训练的质量和水平非常重要。使用半实物仿真方式构建复杂电磁环境具有较为经济、逼真度较高的优点。矢量信号源是半实物仿真方式构建复杂电磁环境的关键电子设备。

坤恒顺维KSW-VSG02矢量信号源支持多种不同的方式构造复杂电磁环境，显著优于其他矢量信号源。

1)  使用合成波形文件的方式可以同时产生多个信号。VSG02具有2GHz的射频调制带宽，具有6T byte的超大波形文件存储深度，这使得VSG02的波形文件播放模式可以产生宽频带、长时间的多个信号。

2)  使用雷达信号产生软件自定义复杂电磁环境。VSG02具有实时PDW流接口，与坤恒顺维雷达信号产生软件配合，可产生基于PDW的自定义复杂电磁环境。

3)  使用已有PDW数据库复现电磁环境。VSG02支持由PDW文件产生和回放复杂电磁环境。雷达信号产生软件可将各种格式的已有PDW数据库转换成VSG02支持的PDW文件格式。