CN115664566B - 一种可扩展的宽带阵列信号模拟测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可扩展的宽带阵列信号模拟测试系统，属于通信、雷达、电子对抗及综合射频技术设备测试技术领域。其由控制与信号分析存储处理设备、虚拟子阵、信号产生、信号接收、分合路器、双向信号调理单元、合分路器以及待测设备等构成。通过在空间信号模拟器中使用双向信号调理单元并增加信号接收模块，该测试系统不需要借助远近场条件，就能够完成多通道阵列收发系统的通道校准、算法评估以及性能测试；通过时延结合移相配合相关配置算法能够实现宽带宽空域空间阵列信号的模拟。该测试系统具有复杂度低、成本低易于实现的特点，因此特别适合在用于通信、雷达、电子对抗及综合射频技术领域中的阵列收发系统测试使用。
Description
技术领域
本发明涉及通信、雷达、电子对抗及综合射频技术设备测试领域，特别是指一种可扩展的宽带阵列信号模拟测试系统。
背景技术
阵列信号模拟器被广泛的应用于声纳、通信、雷达、导航、电子对抗等阵列系统的研发、测试和评估中。阵列信号模拟器主要有数字、模拟和混合式三种，其中数字和混合式的信号产生和处理都需要将在数字域实现，因此难以避免要进行复杂的数字信号处理并使用大量数字处理硬件以及数模和模数转换设备，甚至要引入多通道的变频器才能适用工作于射频、微波、毫米波频段阵列收发系统的测试和评估，因此整个系统较复杂，造价很高；而传统的纯模拟阵列信号模拟器复杂度低，容易实现，但其功能较简单，模拟的空域范围、信号带宽、信号数量都收到限制，且测试能力受限于物理通道数量，无法满足当前大型阵列收发系统对空域大视场多信号场景的测试。
发明内容
为了解决传统阵列模拟设备收发功能单一、瞬时带宽窄以及受限于物理通道数的问题，本发明通过在空间信号模拟器中使用双向信号调理单元并增加信号接收模块，该测试系统不需要借助远近场条件，就能够完成多通道阵列收发系统的通道校准、算法评估以及性能测试；在双向调理单元中采用时延器和移相器，并配合特定的控制算法实现宽带信号的模拟；通过虚拟子阵扩展技术，该测试系统能够不受测试物理通道数量限制，完成对大型阵列的相关测试。该测试系统具有复杂度低、成本低易于实现的特点，因此特别适合在用于通信、雷达、电子对抗及综合射频技术领域中的阵列收发系统测试使用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可扩展的宽带阵列信号模拟测试系统，其特征在于，包括控制与信号产生存储处理设备A、虚拟子阵B、待测设备C、空间信号模拟器D、信号产生E、信号接收F、分合路器G、双向信号调理单元H、合分路器I；
控制与信号产生存储处理设备A用于实现各虚拟子阵B内部各模块以及待测设备C的控制、数据产生、读取和处理功能；
依据阵列规模测试系统共P个虚拟子阵B，P个虚拟子阵共用一套物理硬件，通过控制与数据存储处理设备A的控制和配置分时实现虚拟子阵的功能；
待测设备C共有N个收发通道，接收M个空间信号或发射M个波束，接收到的数字信号送到控制与数据存储设备A进行处理，发射的配置和数字信号也来自于控制与数据处理设备A；
每个虚拟子阵B物理硬件均包含M个空间信号模拟器D和N个合分路器I，M个空间信号模拟器D能够产生对应的M个空间信号，并依据空间传播路径通过N个合分路器叠加到N个通收发道中输出到待测设备C中，也能够接收待测设备C的N路信号通过合分路器I分路后通过空间信号模拟器D合成M个信号；
空间信号模拟器D用于产生和接收阵列信号，包含信号产生E、信号接收F、分合路器G以及N个双向信号调理单元H；系统中的N、M、P为设定值，且均为大于0的正整数；
对于实现接收功能的待测设备C，共M个空间信号模拟器D产生M个独立的单音、多音或调制信号，第m个空间信号模拟器D产生的信号经过分合路器G分路后经过N路双向信号调理单元H，通过空间信号模拟器实现对信号幅度、相位、时延的调理，通过双向信号调理单元模拟空间信号方向，通过虚拟子阵B进行通道数量扩展，最终通过N个合分路器I完成M个空间信号的合路，进入到有N个输入通道的待测设备C，待测设备C按照所需要测试的状态进行配置，输出的模拟或数字信号，输入到控制与信号产生存储处理设备A进行存储、处理；
对于实现发射功能的待测设备C，输出的N通道模拟信号，通过N个合分路器I分成M个波束，第m个波束的N路信号进入第m个空间信号模拟器，通过双向信号调理单元H，通过空间信号模拟器实现对信号幅度、相位、时延的调理，通过双向信号调理单元中的配置方法合成接收波束，通过虚拟子阵B进行通道数量扩展，通过分合路器G完成波束合成通过信号接收F给控制与信号产生存储处理设备A进行存储、处理。
进一步的，空间信号模拟器D中包含信号产生E、信号接收F，双向信号调理单元H包含依次串联的时延器H1、数控衰减器H2、双向放大器H3和移相器H4，通过双向放大器H3的收发切换，配合信号产生E、信号接收F模块能够实现收发双向空间信号模拟。
进一步的，双向信号调理单元H的时延器H1、数控衰减器H2、双向放大器H3和移相器H4的先后顺序可随意调换。
进一步的，双向信号调理单元H包含时延器H1和移相器H4；双向信号调理单元通过以下方式实现宽带宽空域空间阵列信号的模拟：
双向信号调理单元H中的时延器H1的量化时延为Dstep，移相器H4的量化相位为Pstep，配置算法对第m个空间信号模拟器D的第n个双向信号调理单元H引入服从均匀分布的虚拟随机时延扰动ΔDm,n，以及均匀分布的虚拟随机相位扰动ΔPm,n，对于理想的中心频率相位梯度Φm,n(f,Θ)，其中f为工作频段中心频率，Θ为空间波束指向角，时延器H1的时延设置Dm,n和相位设置Pm,n分别采用下式计算：
round{·}算子代表取整。
进一步的，通过阵因子乘积理论实现虚拟子阵B的扩展；具体为：
为了完成M个信号的N′单元阵列的信号模拟，其中R为1×L维波束合成后向量，L为采样步长，X为N′×L维接收信号矩阵，A为N′×M维空间矢量矩阵，M维空间源数量，S为M×L维源矩阵，N0为N′×L维噪声矩阵，w为N′×1维波束合成复数权向量；其中的(·)H表示共轭转置；
R＝wHX＝wH(AS+N0)
采用阵因子分解理论整阵的方向图AF，可以分解为阵因子方向图AFtile和子阵方向图AFsub的乘积；通过将N′个阵列单元分解为共K个虚拟子阵B，每个虚拟子阵B的单一信号或波束，使用包含有N个双向信号调理单元H的空间信号模拟器D实现，M个独立信号或波束使用M个空间信号模拟器D实现；采用完成子阵级波束合成，其中为K×1复数权向量，采用wk完成子阵内波束合成，其中wk为K×1复数权向量；采用相同的源矩阵S，每次采用宽带阵列信号模拟测试系统的虚拟子阵B完成所表述的模拟测试；并通过采用完成最终的波束合成。
相比与其它接收机设计，本发明相主要有以下优点：
1、该系统构成简单，成本低廉，配套软件开发便捷，且不受物理布阵的限制，能够完成模拟和数字多通道收发阵列的校准、测试，同时可用于波束合成等相关算法的开发验证；
2、能够实现收发双向的空间宽带信号模拟；
3、能够不受物理通道数的限制，通过虚拟子阵扩展技术扩展到任意多通道的测试和评估。
附图说明
图1是本发明可扩展的阵列信号模拟测试系统方案原理图。
图2是本发明实施例双向信号调理单元方案原理图。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图，对本发明进行详细阐述。
一种可扩展的宽带阵列信号模拟测试系统，包括控制与信号产生存储处理设备A、虚拟子阵B、待测设备C、空间信号模拟器D、信号产生E、信号接收F、分合路器G、双向信号调理单元H、合分路器I；
依据阵列规模测试系统共P个虚拟子阵B，P个虚拟子阵共用一套物理硬件，通过控制与数据存储处理设备A的控制和配置分时实现虚拟子阵的功能；
待测设备C共有N个收发通道，接收M个空间信号或发射M个波束，接收到的数字信号送到控制与数据存储设备A进行处理，发射的配置和数字信号也来自于控制与数据处理设备A；
虚拟子阵B物理硬件包含M个空间信号模拟器D和N个和合路器I，能够产生M个空间信号，并依据空间传播路径通过N个合分路器叠加到N个通道中输出到待测设备C中，也能够接收待测设备C的N路信号通过合分路器I分路后通过空间信号模拟器D合成M个信号；
空间信号模拟器D用于产生和接收阵列信号，包含信号产生E、信号接收F、分合路器G以及N个双向信号调理单元H；系统中的N,M,P为设定值；
对于实现接收功能的待测设备C，共M个空间信号模拟器D产生M个独立的单音、多音或调制信号，第m个空间信号模拟器D产生的信号经过分合路器G分路后经过N路双向信号调理单元H，通过空间信号模拟器实现对信号幅度、相位、时延的调理，通过双向信号调理单元模拟空间信号方向，通过虚拟子阵B进行通道数量扩展，最终通过N个合分路器I完成M个空间信号的合路，进入到有N个输入通道的待测设备C，待测设备C按照所需要测试的状态进行配置，输出的模拟或数字信号，输入到控制与信号产生存储处理设备A进行存储、处理；
对于实现发射功能的待测设备C，输出的N通道模拟信号，通过N个合分路器I分成M个波束，第m个波束的N路信号进入第m个空间信号模拟器，通过双向信号调理单元H，通过空间信号模拟器实现对信号幅度、相位、时延的调理，通过双向信号调理单元中的配置方法合成接收波束，通过虚拟子阵B进行通道数量扩展，通过分合路器G完成波束合成通过信号接收F给控制与信号产生存储处理设备A进行存储、处理。
其中，空间信号模拟器D中包含信号产生E、信号接收F模块，双向信号调理单元H包含时延器H1，数控衰减器H2，双向放大器H3和移相器H4，通过双向放大器H3的收发切换，配合信号产生E、信号接收F模块能够实现收发双向空间信号模拟；
其中，双向信号调理单元H包含时延器H1和移相器H4，；双向信号调理单元通过以下方式实现宽带宽空域空间阵列信号的模拟：
双向信号调理单元H中的时延器H1的量化时延为Dstep，移相器H4的量化相位为Pstep，配置算法对第m个空间信号模拟器D的第n个双向信号调理单元H引入服从均匀分布的虚拟随机时延扰动ΔDm,n，以及均匀分布的虚拟随机相位扰动ΔPm,n，对于理想的中心频率相位梯度Φm,n(f,Θ)，其中f为工作频段中心频率，Θ为空间波束指向角，时延器H1的时延设置Dm,n和相位设置Pm,n分别采用下式计算：
round{·}算子代表取整。
其中，通过阵因子乘积理论实现虚拟子阵B的扩展。
为了完成M个信号的N′单元阵列的信号模拟，其中R为1×L维波束合成后向量，L为采样步长，X为N′×L维接收信号矩阵，A为N′×M维空间矢量矩阵，M维空间源数量，S为M×L维源矩阵，N0为N′×L维噪声矩阵，w为N′×1维波束合成复数权向量；其中的(·)H表示共轭转置；
R＝wHX＝wH(AS+N0)
采用阵因子分解理论整阵的方向图AF，可以分解为阵因子方向图AFtile和子阵方向图AFsub的乘积；通过将N′个阵列单元分解为共K个虚拟子阵(B)，每个虚拟子阵(B)的单一信号或波束，使用包含有N个双向信号调理单元(H)的空间信号模拟器(D)实现，M个独立信号或波束使用M个空间信号模拟器(D)实现；采用完成子阵级波束合成，其中为K×1复数权向量，采用wk完成子阵内波束合成，其中wk为K×1复数权向量；采用相同的源矩阵S，每次采用宽带阵列信号模拟测试系统的虚拟子阵(B)完成所表述的模拟测试；并通过采用完成最终的波束合成。
总之，本发明实现了可扩展的宽带阵列信号模拟测试系统，该测试系统具有复杂度低、成本低易于实现的特点，特别适合在用于通信、雷达、电子对抗及综合射频技术领域中的阵列收发系统测试使用。
Claims (3)
1.一种可扩展的宽带阵列信号模拟测试系统，其特征在于，包括控制与信号产生存储处理设备(A)、虚拟子阵(B)和待测设备(C)；
控制与信号产生存储处理设备(A)用于实现各虚拟子阵(B)内部各模块以及待测设备(C)的控制、数据产生、读取和处理功能；
依据阵列规模测试系统共P个虚拟子阵(B)，P个虚拟子阵共用一套物理硬件，通过控制与数据存储处理设备(A)的控制和配置分时实现虚拟子阵的功能；
待测设备(C)共有N个收发通道，接收M个空间信号或发射M个波束，接收到的数字信号送到控制与数据存储设备(A)进行处理，发射的配置和数字信号也来自于控制与数据处理设备(A)；
每个虚拟子阵(B)物理硬件均包含M个空间信号模拟器(D)和N个合分路器(I)，M个空间信号模拟器(D)能够产生对应的M个空间信号，并依据空间传播路径通过N个合分路器叠加到N个通收发道中输出到待测设备(C)中，也能够接收待测设备(C)的N路信号通过合分路器(I)分路后通过空间信号模拟器(D)合成M个信号；
空间信号模拟器(D)用于产生和接收阵列信号，包含信号产生(E)、信号接收(F)、分合路器(G)以及N个双向信号调理单元(H)；系统中的N、M、P为设定值，且均为大于0的正整数；
对于实现接收功能的待测设备(C)，共M个空间信号模拟器(D)产生M个独立的单音、多音或调制信号，第m个空间信号模拟器(D)产生的信号经过分合路器(G)分路后经过N路双向信号调理单元(H)，通过空间信号模拟器实现对信号幅度、相位、时延的调理，通过双向信号调理单元模拟空间信号方向，通过虚拟子阵(B)进行通道数量扩展，最终通过N个合分路器(I)完成M个空间信号的合路，进入到有N个输入通道的待测设备(C)，待测设备(C)按照所需要测试的状态进行配置，输出的模拟或数字信号，输入到控制与信号产生存储处理设备(A)进行存储、处理；
对于实现发射功能的待测设备(C)，输出的N通道模拟信号，通过N个合分路器(I)分成M个波束，第m个波束的N路信号进入第m个空间信号模拟器，通过双向信号调理单元(H)，通过空间信号模拟器实现对信号幅度、相位、时延的调理，通过双向信号调理单元中的配置方法合成接收波束，通过虚拟子阵(B)进行通道数量扩展，通过分合路器(G)完成波束合成通过信号接收(F)给控制与信号产生存储处理设备(A)进行存储、处理；
双向信号调理单元(H)包含依次串联的时延器(H1)、数控衰减器(H2)、双向放大器(H3)和移相器(H4)，通过双向放大器H3的收发切换，配合信号产生E、信号接收F模块能够实现收发双向空间信号模拟；
双向信号调理单元通过以下方式实现宽带宽空域空间阵列信号的模拟：
双向信号调理单元(H)中的时延器(H1)的量化时延为Dstep，移相器(H4)的量化相位为Pstep，配置算法对第m个空间信号模拟器(D)的第n个双向信号调理单元(H)引入服从均匀分布的虚拟随机时延扰动ΔDm,n，以及均匀分布的虚拟随机相位扰动ΔPm,n，对于理想的中心频率相位梯度Φm,n(f,Θ)，其中f为工作频段中心频率，Θ为空间波束指向角，时延器H1的时延设置Dm,n和相位设置Pm,n分别采用下式计算：
Dm,n＝round{[Φm,n(f,Θ)/2πf+ΔDm,n]/Dstep}·Dstep
Pm,n＝round{[Φm,n(f,Θ)-2πfDm,n+ΔPm,n]/Pstep}·Pstep
round{·}算子代表取整。
2.根据权利要求1所述的一种可扩展的宽带阵列信号模拟测试系统，其特征在于，双向信号调理单元(H)的时延器(H1)、数控衰减器(H2)、双向放大器(H3)和移相器(H4)的先后顺序可随意调换。
3.根据权利要求1所述的一种可扩展的宽带阵列信号模拟测试系统，其特征在于，通过阵因子乘积理论实现虚拟子阵(B)的扩展；具体为：
为了完成M个信号的N′单元阵列的信号模拟，其中R为1×L维波束合成后向量，L为采样步长，X为N′×L维接收信号矩阵，A为N′×M维空间矢量矩阵，M为空间源数量，S为M×L维源矩阵，N0为N′×L维噪声矩阵，w为N′×1维波束合成复数权向量；其中的(·)H表示共轭转置；
R＝wHX＝wH(AS+N0)
采用阵因子分解理论整阵的方向图AF，可以分解为阵因子方向图AFtile和子阵方向图AFsub的乘积；通过将N′个阵列单元分解为共K个虚拟子阵(B)，每个虚拟子阵(B)的单一信号或波束，使用包含有N个双向信号调理单元(H)的空间信号模拟器(D)实现，M个独立信号或波束使用M个空间信号模拟器(D)实现；采用完成子阵级波束合成，其中为K×1复数权向量，采用wk完成子阵内波束合成，其中wk为K×1复数权向量；采用相同的源矩阵S，每次采用宽带阵列信号模拟测试系统的虚拟子阵(B)完成所表述的模拟测试；并通过采用完成最终的波束合成。
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