徐立 周隆亮
西南电子设备研究所 成都 610036
摘要：文章提出了一种基于宽带复杂数字波形合成技术的导航干扰源设计方案，可真实模拟多种干扰信号，具备信号精度高、瞬时带宽大的特点，对接收机产生了实际干扰效果，可支持开展对导航系统抗干扰研究和干扰模拟技术的发展应用。
关键词：直接数字频率合成；直接数字波形合成；导航干扰；干扰效果
引言
随着现代化电子技术的高速发展，全球卫星导航系统在人类日常生活与现代化战争中发挥越来越重要的作用，但全球卫星导航系统在当前日益复杂的电磁信号环境下存在被干扰的风险。本文提出一种基于宽带复杂数字波形合成技术的导航干扰源设计方法，通用性强，能够较为真实的模拟各类卫星导航系统面临的干扰信号环境，在试验室中重建各种导航干扰信号场景，支持开展对导航系统的抗干扰研究和评估；此外，为适应干扰对象的发展变化，对干扰模拟技术本身也存在不断扩展应用的需求，如扩充干扰信号样式、提升干扰效果，文章提出的方法亦具备一定的参考价值。
1 干扰信号类型
全球卫星导航系统属无线电导航系统，其空间段、地面段和用户段之间的链路均通过无线电信号建立，各个环节均存在被干扰的可能。从干扰的恶意程度划分，干扰信号分为无意和有意干扰。无意干扰一般包括卫星导航系统与其它通信系统之间由于频段靠近或重叠所引起的干扰，或者大功率发射设备辐射信号时，在一定空域范围内产生的干扰信号，还包括无意的自然干扰或带外射频干扰等。有意干扰则是敌对方以削弱、压制、欺骗导航系统为目的所施放的干扰信号，通常包括压制干扰和欺骗干扰两大类[1]，从被干扰的导航系统接收机角度，又可以分为相干干扰和非相干干扰两大类。回归到干扰和被干扰搏弈的本质，本文重点从被干扰的导航系统接收机角度分析干扰信号类型，研究干扰信号的产生。
压制干扰的基本原理就是干扰源发射强功率信号，阻塞或压制导航信号接收机的AGC，使进入接收机的正常信号难以达到后续跟踪环所要求的载噪比，从而导致导航信号无法被检测，接收机难以正常工作。典型的信号类型包括单频信号、脉冲信号、窄带信号、宽带高斯噪声信号、宽带扩谱信号等。
欺骗干扰则是在导航信号接收机能够正常工作的前提下，由干扰源发射虚假错误信号，但功率强于真实信号，优先控制接收机的跟踪环，让接收机锁定虚假错误信号，从而错误解算，产生错误信息，达到干扰效果。典型的信号类型包括宽带扩谱信号等。
特定或相似码型的宽带扩谱信号可归为相干干扰信号，而单频信号、脉冲信号、窄带信号、宽带高斯噪声信号、非特定码型的宽带扩谱信号可归为非相干干扰信号。
2 宽带复杂数字波形合成技术
为了逼真模拟导航接收机所面临的各类干扰信号，必须能从时、频和调制域等任意定义模拟的各类干扰信号特征。宽带复杂数字波形合成技术采用全数字化波形，具有波形可编程能力强、易于扩展和升级等显著优点，是兼顾产生多种复杂类型干扰信号的首选方案。
根据需要产生的干扰信号类型不同，在技术实现上，宽带复杂数字波形合成兼顾了直接数字频率合成（DDS）和直接数字波形合成（DDWS）两种工作模式，并且可以灵活控制切换，同时在软硬件资源上统筹兼顾。
2.1 直接数字频率合成（DDS）技术
DDS技术具备频率精度高、频率分辨率高、频率转换时间快的优点。DDS技术采用数字采样方式进行信号合成，不同的相位给出不同的电压幅度，实现上主要由相位累加器、相位寄存器、正弦波形查找表、数模转换器DAC和低通滤波器LPF等组成[2]。在参考时钟fc的控制下，相位累加器对输入的频率控制字K进行线性累加，得出相位码取N位有效位，再与输入的相位控制字P相加后对波形存储器寻址，输出对应的幅度值，经数模转换后得到阶梯波，最后由低通滤波LPF平滑产生所需的连续波形。DDS技术实现原理如图1所示。
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图1 DDS技术实现原理
2.2 直接数字波形合成（DDWS）技术
DDWS技术通过计算机加载波形文件的方式实现。计算机根据设定参数计算出理想的波形信号，依据奈奎斯特采样定理，对信号进行抽样、量化，将数字化处理后的波形数据通过总线下载到数字波形存储器中。在产生信号时，先从数字波形存储器中读出波形数据，经高速DA变换得到所需的模拟波形，再经低通滤波器滤掉杂散后输出[3]。
3 干扰源设计与实现
3.1 总体框架
以宽带复杂数字波形合成技术为核心，充分发挥其技术优点，构建一种通用导航干扰源，快速、灵活产生多种样式的干扰信号。干扰源设计的总体框架如图2所示。
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图2 干扰源设计总体框架
仿真控制计算机获取用户设定的信号参数并进行计算，得到频率、带宽、电平、脉冲占空比、脉冲重复周期等详细参数，通过控制总线下发给基带信号产生单元；同时对变频单元进行频率、幅度控制；对外提供人机交互接口。
基带信号产生单元是干扰源的核心，根据仿真控制计算机下发的信号参数产生各种样式的基带干扰信号。
宽带微波变频单元将基带干扰信号上变频至目标频段并经滤波、放大后输出；变频本振为宽带微波变频单元提供本振信号。
功率校准单元用于输出功率的测量及闭环校准，可显著提高输出信号的功率精度。
3.2 基带信号产生设计
基带信号产生单元采用以FPGA+DSP+高速DAC为核心的设计方案，具体如图3所示。
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图3 基带信号产生原理
利用FPGA片上集成的DDS核可直接产生单频、脉冲等类型干扰信号[4]，DDS核累加器的字长为40，参考时钟fc为1023MHz，可实现Hz级频率分辨率。
对于扫频信号，可用两个DDS核分别产生载波信号和调制信号，相乘后即可输出。
对于宽带高斯噪声信号，首先由DSP计算产生所需码速率的PN序列，经FIR滤波器限制带宽、低通滤波器滤除高频分量后输出。
对于BPSK、QPSK等窄带信号，以DDS核产生定频载波信号，DSP生成PN序列后对其进行相位选择，将载波和选择好的相位一并送入调制器后即可产生BPSK、QPSK等窄带调制信号。
对于BOC、TMBOC等特殊体制信号，则是在BPSK调制基础上，增加一个二进制副载波。BOC调制的复数表达式为：
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在BOC信号的具体实现上，首先参考时钟fc经锁相环倍频至全局时钟，由频率控制字控制信息码、扩频码、副载波的频率。信息码与扩频码相乘实现信息码的扩频，再与副载波相乘，产生基带BOC码。最后对基带BOC码进行BPSK调制，即产生BOC信号。TMBOC本质上是对BOC(1,1)和BOC(6,1)的时域复用。
通过以上方法获得数字化波形数据后，再送入DAC产生中频信号。根据奈奎斯特采样定理，DAC器件的带宽决定了输出信号的瞬时带宽。可选用采样率达2.4Gsps的宽带高速DAC，充分利用其第二奈奎斯特采样区间的信号输出能力，可达到1GHz的信号瞬时带宽。
3.3 试验验证情况
根据对干扰源样机输出信号的实测，并对比数字仿真结果，干扰源产生的信号质量较好，信号频谱与与仿真结果基本一致。
另一方面，开展干扰源样机和导航接收机的对接试验，实际检验干扰源的干扰效果。干扰场景选取具有典型代表意义的干扰信号类型，干扰信号和正常导航信号合路后一并注入导航接收机，根据导航接收机对不同类型干扰信号的抗干扰性能来逐步调整干信比，最终通过导航接收机上报的跟踪状态、锁定标志、测距值等遥测信息评估最终的干扰效果，部分对接试验结果见表1。
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4 结束语
本文提出了一种以宽带复杂数字波形合成技术为核心的通用干扰源设计方法，可灵活产生多种样式的干扰信号。经数字仿真、样机实测和对接试验，干扰信号具备样式多、精度高、瞬时带宽大的特点，在多种应用场景下对导航接收机达到了预期的干扰效果。文章对干扰技术的研究、应用具备一定借鉴意义，并可在此基础上进一步拓展研究组合干扰等复杂电磁环境构建的应用领域。
参考文献
[1] 武成锋，彭元，何子君，付晶晶. 卫星导航干扰与抗干扰技术综述. 导航定位与授时. 2014.09
[2] 曾建军. 基于DDS和PLL的频率合成器. 电子科技大学. 2011.05
[3] 田野，邵高平，谢巍. 基于DDWS的复杂波形信号发生器实现. 信息工程大学学报. 2012.02
[4] 郑晓冬. 卫星导航系统复杂干扰信号模拟源设计. 电子科技大学. 2012.05