模块化射频仪器在雷达及无线电遥测遥控系统设计中的应用

雷达测试及电子战中的PXI仪器的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雷达测试频谱监测信号流盘射频与微波技术

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全新：使用PXIe-5668R矢量信号分析仪测量脉冲规范频率范围20Hz到26.5GHz分析带宽320MHz低于3.6GHz765MHz高于

3.6GHz相位噪声（通常在10kHz偏置下）-129dBc/Hz@1GHz

本底噪声归一化均方根（无前置放大器*）<-155dBm/Hz(1GHz)<-145dBm/Hz(26GHz)TOI>+20dBm（20Hz至26GHz）自定义Kintex-7410TFPGA，可使用LabVIEW进行编程应用详解雷达测试频谱监测脉冲信号宽带宽•重叠，频带拥挤。•在出现强告饶信号时信号显得很弱信号流盘•短脉冲•宽带突发信号传输•复杂的调制算法•弱/强信号雷达性能参数测试雷达系统的类型一次雷达二次雷达无源雷达通过寻找信号源和测量设备回波的“典型”雷达通过询问应答机来测量海空位置的“友好”雷达系统利用商用广播信号反射的捕获系统。SAABGiraffe战场雷达SelexAULOS机场雷达，地面雷达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…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相位相干多通道RF测量所有通道完全同步同步需要共享本振和采样时钟DSPLNA90°LNAADCADCADCADCRx0Rx1IIQQ双通道ZIF接收机ADCDDC对齐的时钟共享本振-用于相关相位噪声对齐的采样时钟-最小化通道间延迟IF滤波器放置在FPGA中-消除群延迟

ADCDDCADCDDCADCDDCNI5624RNI5606NI5653共享本振测向（接收机）三个或更多接收天线每个接收机的传播延迟各不一样方向可通过相位差进行计算TxRx0Rx1Rx2波束控制（发射机）有源阵列雷达干扰/抗干扰Tx0Tx1Tx2无源雷达广播塔

接收机双通道接收机DSP/FPGA无源雷达系统使用TV和无线电站等广播电台来激励移动对象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频谱监测应用

频谱监测——显示频谱使用状态频谱监测无线空间监测在强干扰信号下检测感兴趣的弱信号频谱监测测量的特点动态范围受模数转换器的限制无预选功能频率选择性相对快速良好的动态范围较高的功率精度图形化显示传统方式矢量信号分析仪射频测量产生的失真产物增强的功能部分：预选滤波器后置滤波器预放大器修平滤波器（可选的宽带模拟中频滤波器）频谱监测接收机频谱监测接收机：预选和预放大预选滤波器：减少前端谐波和互调失真预放大器：提高灵敏度频谱监测接收机：中频调理修平（中频）滤波器：减少最终中频放大器和数字化仪的失真图中IF滤波器卷积为RF

否则谐波和互调失真可能非常大

PXIe-5667系统(3.6GHz)PXIe-5622数字化仪PXIe-5653LOPXIe-5694中频调理PXIe-5693预选器PXIe-5603下变频器PXIe-5667系统(7GHz)PXIe-5622数字化仪PXIe-5605下变频器PXIe-5653LOPXIe-5694中频调理PXIe-5693预选器PXIe-5667系统规范–完全符合ITU接收机规范特性PXIe-5667ITU指南频率范围20Hz-3.6GHz20Hz-7.0GHz20MHz–3GHz预选子倍频滤波器子倍频滤波器中频（修平）滤波器7个滤波器：30kHz–50MHz--噪声系数12dB<3GHz14dB<7GHz12dB二次谐波截断>+80dBm+40dBmIP3>+17dBm+10dBm相位噪声@10kHz>-129dBc/Hz-100dBc/Hz扫描速率30GHz/sec--动态范围>110dB--基于FPGA的信号处理

NIPXIe-7975RPXIe-7966RPXIe-7975RFPGAXilinxVirtex-5XilinxKintex-7DRAM容量512MB2GBDRAM理论带宽3.2GB/s10.6GB/sPXIExpress带宽（双向）800MB/s‎(700MB/s)1.6GB/s(800+MB/s)例：实时频谱分析在FPGA上计算无间隙持续时间、光谱图和轨迹统计（最大保留值、最小保留值、平均值）可使用加窗重叠FFT实现高达2MFFTs/s的处理实时频率掩模触发100%截获概率(POI)最低持续时间选项：1µs或>15µs根据请求可提供信号源使用LabVIEW进行信号处理DDC/DUC/滤波/信道化/抽取带内功率、邻信道功率、突发定时、BER、EVM、MER、ρ等等高级RF、频谱测量和调制软件自定义调制模式以及信道编码和损害用于短时信号表征、降噪和趋势消除的小波和滤波器组设计时频分析--图形化分析工具,用于带有频率分量的信号时序分析--统计分析,用于描述、解释、预测和控制LabVIEWFPGA

访问XilinxCOREGeneratorIP库PXIe-5693预选器规范特性价值预选滤波器20MHz–7GHz,16个子倍频带通滤波器。陷波滤波器55–75MHz（电视波段）88–108MHz（FM波段）外部滤波器路径20MHz–3GHz低频旁通路径DC–30MHz增益-20~+20dB，1dB步长增益精度+/-0.25dB噪声系数12–14dB二次谐波截断>80dBmIP3>+18dBm带内，>+35dBm带外校准信号34.5–7000MHz软件驱动RFSA2.6PXIe-5694中频调理规范特性价值修平滤波器带宽20MHz，5MHz，1.4MHz，400

kHz，30kHz旁通路径带宽>160MHz增益-25~+20dB，1dB步长增益精度+/-0.3dB内部本振215MHz，相位噪声:

-125dBc/Hz@10kHz多通道射频流盘应用流盘应用举例：雷达系统数据存储雷达处理器射频/微波中频/基带数据总线数据总线串流ADC数据总线信号调理下变频STALO信号调理上变频DAC有源相控阵天线(AESA)显示器TRMTRMTRMTRMTRMTRMTRMTRM歧管C&C接收器/激励器（发射器）天线信号处理和串流流盘应用举例：频谱检测数据存储无线电监测和通信情报的信号处理射频/微波中频/基带ADC数据总线信号调理下变频器数据总线PXIe-5668R(ELINT)PXIe-5665PXIe-5667PXIe-564xR(VST)PXIe5124RPXIe-5622PXIe-5624RPXIe-5170RPXIe-5122PXI-5922(TBV)NIHDD-8266信道器RTSA20MHz-3(6)GHz天线信号流盘系统架构PXIe–5606下变频器PXIe–5624RPXIe–5653LOPXIe-8384可扩展至多通道和多RAID系统3.6GB/s3.6GB/sNIHDD8266PCIe开关1PCIe开关2Gen2PCIeExpress234567891011121314151617181Gen2PCIeExpress技术可实现4GB/s的每槽带宽和12GB/s的系统带宽PXIe–8135PXIe1085专为高吞吐量应用设计NI5668R是带宽为765MHz的26.5GHzVSA系列，包括NI5606、NI5653和NI5624R。PXIe8384–PXIe5624R背板IQ串流PXIe8266–RAID最大存储容量为24TB，最大串流速率为3.6HB/s3.6GB/s流盘中读写多通道配置通道配置带宽IQ速率采样大小数据速率/通道2个通道1800MHz1GS/s12位数据包3GB/s2400MHz500MS/s162GB/s4个通道1400MHz500MS/s12位数据包1.5GB/s2320MHz400MS/s161.6GB/s流盘-双通道5668R，两个HDD8266PCIe开关1PCIe开关2PXIe-8135PXIe–5606下变频器234567891011121314151617181PXIe-5624PXIe–5653LOPXIe-8384PXIe–5606下变频器PXIe-5624PXIe-8384NIHDD8266NIHDD82663GB/s3GB/s3GB/s3GB/sPXIe-1085流盘-双通道5668R，四个HDD8266PCIe开关1PCIe开关2PXIe-8135PXIe–5606下变频器234567891011121314151617181PXIe-5624PXIe–5653LOPXIe-8384PXIe–5606下变频器PXIe-5624PXIe-8384NIHDD8266NIHDD82663GB/s3GB/s1.5GB/s1.5GB/sPXIe-8384PXIe-8384NIHDD8266NIHDD8266流盘-四通道5668R，四个HDD8266PCIe开关14GB/sPCIe开关24GB/sPXIe-8135234567891011121314151617181PXIe–5653LOPXIe-8384PXIe-8384NIHDD8266NIHDD82661.5GB/s3GB/sPXIe-1085PCIe开关14GB/sPCIe开关24GB/sPXIe-8381234567891011121314151617181PXIe-8384NIHDD8266NIHDD82663GB/sPXIe-1085PXIe-8384Gen2x8MXIPXIe-5624PXIe-5624PXIe-5624PXIe-56241.5GB/s多机箱MXI控制器数字化仪->主机箱最小化数据速率PXIe–5606PXIe–5606PXIe–5606PXIe–5606下变频器->从机箱PXIe8266–RAID最大存储容量为24TB，最大串流速率为3.6HB/s3GB/s高效利用磁盘空间-打包/解压二进制数据NI5624R&NI5668R分别具有400MHz&800MHz比特流板载DRAM带宽无法处理3GB/s的数据输入输出；Gen2x8PCIe最大输出速率为3.6GB/s需要大型DMAFIFO来防止PCIe/内存控制器中断板载内存ADC小型50kDMAFIFO(BRAM)400MHz解压2GB/sDSP2GB/s板载内存ADC大型2MDMAFIFO(BRAM)800MHz12位数据包4GB/sDSP3GB/s12位数据包小型50kDMAFIFO(BRAM)FPGA扩展GenPCIe带宽IQ速率位数据速率/通道NI5624R数量2400MHz500MS/s162GB/s2400MHz500MS/s12*打包1.5GB/s4800MHz1GB/s12*打包3GB/s2PXIe-5668R记录速率采样率带宽数据速率最长记录时间(24TB)100MS/s80MHz400MB/s16.67小时250MS/s200*MHz1GS/s6.67小时500MS/s400*MHz2GS/s3.33小时1GS/s800*MHz3GS/s*2.22小时*需要12位数据包总结NI为国防与航空航天中的射频与微波应用提供灵活、高性能的平台NI丰富的行业项目支持经验助力您的应用成功无线电遥测遥控系统应用举例二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