基于STD標(biāo)準(zhǔn)的LFM脈沖信號(hào)建模與應(yīng)用

王洪春， 文天柱， 李文海， 張家運(yùn)

(1.海軍航空大學(xué) 航空作戰(zhàn)勤務(wù)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001； 2.中國人民解放軍92095部隊(duì)，浙江 臺(tái)州 317000)

一直以來，開放性和通用性都是自動(dòng)測試系統(tǒng)(Automatic Test System,ATS)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，但是不同測試系統(tǒng)開發(fā)人員對(duì)于信號(hào)的定義不同，導(dǎo)致了信號(hào)定義模糊、測試重用性差、信息應(yīng)用面窄等問題[1]。為此，信號(hào)和測試定義(Signal and Test Definition,STD)標(biāo)準(zhǔn)誕生，以嚴(yán)格的數(shù)學(xué)形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行定義和描述，建立組件化的信號(hào)模型庫，消除了對(duì)于信號(hào)定義方面產(chǎn)生的歧義[2-3]。

STD標(biāo)準(zhǔn)給出各種基本的物理信號(hào)模型，如電流、電壓、溫度、壓力等，并允許多個(gè)基本信號(hào)組件(Basic Signal Components,BSC)通過連接組合的方式生成復(fù)雜的測試信號(hào)模型(Test Signal Framework,TSF)，很大程度地?cái)U(kuò)展了標(biāo)準(zhǔn)的使用范圍[4]。其中，雷達(dá)發(fā)射信號(hào)模型僅以一種脈沖交流信號(hào)作為參考，對(duì)于具體的復(fù)雜信號(hào)模型均未涉及，這顯然無法滿足雷達(dá)告警設(shè)備效能驗(yàn)證的需求。

STD標(biāo)準(zhǔn)自提出以來經(jīng)歷了多次修訂，國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了一些研究，主要集中在應(yīng)用領(lǐng)域。盧慧卿等[5]利用STD標(biāo)準(zhǔn)的測試流程描述語言進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化描述；王怡蘋等[6]采用測試軟件分層描述的方式,以信號(hào)模型為中心，給出了儀器模型和測試任務(wù)模型；牛雙誠等[7]研究了面向信號(hào)的儀器描述模型，并在LabWindows/CVI TM集成環(huán)境下進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。在復(fù)雜信號(hào)擴(kuò)展方法方面，張佳[8]以2個(gè)正弦信號(hào)的簡單疊加說明了信號(hào)可以復(fù)用；王怡蘋和劉斌斌等[9-10]提出了滿足STD標(biāo)準(zhǔn)的總線信號(hào)擴(kuò)展方法。但是以上研究擴(kuò)展的信號(hào)模型都以直接列出了信號(hào)的屬性接口和模型描述的方法提出，對(duì)于STD標(biāo)準(zhǔn)提出的利用BSC構(gòu)建TSF方法均未涉及，模型構(gòu)建只能參考標(biāo)準(zhǔn)附錄，實(shí)現(xiàn)難度大。

線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation，LFM)脈沖信號(hào)是一種典型的脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)，因其具有大的時(shí)寬帶寬積、對(duì)多普勒頻移不敏感等優(yōu)良性能，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[11-12]。隨著脈沖壓縮技術(shù)的逐步成熟，該體制雷達(dá)被證明可以在較低信噪比下正常工作，在實(shí)際使用中有著良好的探測效果。

首先根據(jù)LFM脈沖信號(hào)特點(diǎn)，基于STD標(biāo)準(zhǔn)中的BSC構(gòu)建LFM脈沖信號(hào)TSF，利用MATLAB進(jìn)行信號(hào)仿真?；贛ATLAB APP Designer設(shè)計(jì)開發(fā)測試信號(hào)模型加載和實(shí)例創(chuàng)建軟件，創(chuàng)建信號(hào)實(shí)例，通過矢量信號(hào)源模擬產(chǎn)生實(shí)際的LFM脈沖信號(hào)。最終模擬的雷達(dá)信號(hào)送雷達(dá)告警接收機(jī)前端以測試新構(gòu)建信號(hào)模型的有效性。

1 STD標(biāo)準(zhǔn)中的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)模型

STD標(biāo)準(zhǔn)可以提供明確的定義測試信號(hào)的能力[13]，并定義了SignalFunctions基本類，可以通過組合現(xiàn)有的信號(hào)函數(shù)來創(chuàng)建新的信號(hào)函數(shù)。其中，級(jí)別最低的基本類就是BSC，它是一切信號(hào)復(fù)用的基礎(chǔ)。IEEE1641標(biāo)準(zhǔn)層狀模型如圖1所示。其中，In、Out、Sync、Gate、Attribute和Value為BSC的接口，在其實(shí)例化時(shí)進(jìn)行賦值。

圖1 IEEE1641標(biāo)準(zhǔn)層狀模型

復(fù)雜測試信號(hào)主要通過調(diào)用BSC實(shí)現(xiàn)。在標(biāo)準(zhǔn)中給出的基本的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)框架如圖2所示。它由一個(gè)事件模塊和一個(gè)正弦信號(hào)模塊構(gòu)成，經(jīng)過復(fù)合后事件模塊的輸出事件數(shù)(repetition)、持續(xù)時(shí)間(duration)、第一個(gè)事件延遲時(shí)間(delay)和事件重復(fù)周期(prf)以及正弦信號(hào)模塊的信號(hào)幅值(ampl)和重復(fù)頻率(freq)構(gòu)成了雷達(dá)發(fā)射信號(hào)模型自身的接口，如表1所示。其中，脈沖數(shù)默認(rèn)值為0表示連續(xù)重復(fù)脈沖。顯然，此基本的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)模型實(shí)質(zhì)上是經(jīng)過脈沖調(diào)制的簡單定頻信號(hào)，在實(shí)際測試中不具有實(shí)用意義，難以滿足當(dāng)前自動(dòng)測試要求。

圖2 雷達(dá)發(fā)射信號(hào)模型

表1 雷達(dá)發(fā)射信號(hào)模型接口

2 基于STD標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展LFM脈沖信號(hào)模型

LFM脈沖信號(hào)，是指頻率在脈寬內(nèi)進(jìn)行線性掃描，通過頻率調(diào)制獲得大帶寬，同時(shí)采用大脈寬以保持發(fā)射信號(hào)能量，使雷達(dá)具有較遠(yuǎn)距離、高分辨探測能力的一類寬帶雷達(dá)信號(hào)[14]。從信號(hào)的樣式來看，LFM脈沖雷達(dá)信號(hào)可以看作基帶信號(hào)經(jīng)線性調(diào)頻再經(jīng)過脈沖調(diào)制后產(chǎn)生。

信號(hào)在脈寬內(nèi)線性掃頻可以使用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的調(diào)頻(FM)模塊實(shí)現(xiàn)。調(diào)頻模塊是一種調(diào)制器，其正弦載波的瞬時(shí)頻率隨調(diào)制輸入信號(hào)的振幅而變化。它有3個(gè)屬性，分別是未調(diào)制的載波幅值、載頻頻率和頻率偏移。因此，只需要輸入特定的斜坡信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻。

標(biāo)準(zhǔn)中給出的斜坡信號(hào)模塊有兩種，分別是產(chǎn)生單個(gè)斜坡信號(hào)的單斜坡信號(hào)(SingleRamp)模塊和產(chǎn)生周期性斜坡信號(hào)的斜坡信號(hào)(Ramp)模塊。單斜坡信號(hào)模塊具有幅值、上升時(shí)間和開始時(shí)間3個(gè)屬性，使用時(shí)需要構(gòu)造一個(gè)脈寬內(nèi)的頻率變化規(guī)律，然后使用外部事件控制的方式，控制其周期性的觸發(fā)。斜坡信號(hào)模塊具有斜坡信號(hào)幅值、上升時(shí)間和重復(fù)周期3個(gè)屬性，信號(hào)的斜率由最大振幅和過渡時(shí)間之比定義，使用時(shí)定義屬性即可產(chǎn)生特定周期性斜坡信號(hào)，無需添加額外觸發(fā)信號(hào)。另外，使用斜坡信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)時(shí)，如果設(shè)置斜坡幅值為1 V，并且脈沖調(diào)制的脈寬等于上升時(shí)間，輸出脈寬內(nèi)的線性調(diào)頻信號(hào)頻率特性只與頻率變化率有關(guān)。

標(biāo)準(zhǔn)中基本信號(hào)模塊有通過同步屬性控制和門屬性控制兩種控制方式。使用同步屬性控制BSC運(yùn)行時(shí)，當(dāng)同步信號(hào)每次被激活時(shí)，BSC都將重新啟動(dòng)它的操作。BSC使用門屬性來控制其操作時(shí)，當(dāng)門信號(hào)處于未激活狀態(tài)時(shí)，BSC不工作；當(dāng)門信號(hào)處于激活狀態(tài)時(shí)，BSC處于工作狀態(tài)，但不會(huì)重新開始工作[15-16]。脈沖調(diào)制部分通過事件模塊控制調(diào)頻模塊的門屬性實(shí)現(xiàn)，考慮到線性調(diào)頻部分使用斜坡信號(hào)模塊的不同，總體線性調(diào)頻脈沖測試信號(hào)模型設(shè)計(jì)可以有兩種方案，分別記為方案A和方案B，如圖3和圖4所示。

圖3 方案A的LFM脈沖信號(hào)模型

圖4 方案B的LFM脈沖信號(hào)模型

方案A利用單斜坡信號(hào)模塊，使用事件模塊產(chǎn)生事件控制其同步屬性產(chǎn)生周期性斜坡信號(hào)，輸入調(diào)頻模塊進(jìn)行調(diào)頻輸出，事件模塊產(chǎn)生事件控制調(diào)頻模塊門屬性。方案B使用斜坡信號(hào)模塊直接產(chǎn)生上升時(shí)間為脈寬的周期性斜坡信號(hào)直接輸入調(diào)頻模塊進(jìn)行調(diào)頻輸出，利用事件模塊產(chǎn)生事件控制調(diào)頻模塊門屬性。分別使用兩種方案時(shí)，兩種方案中模塊產(chǎn)生信號(hào)如圖5所示。顯然，兩種方案產(chǎn)生的信號(hào)脈內(nèi)頻率呈線性變化，都符合LFM脈沖信號(hào)特征。

圖5 兩種方案中模塊產(chǎn)生信號(hào)圖

方案A中斜坡信號(hào)的產(chǎn)生依靠事件模塊周期性觸發(fā)SingleRamp模塊的同步接口，這對(duì)事件模塊輸出事件的時(shí)間精度要求較高；相比之下，方案B依靠Ramp模塊自身特性，只需事先確定模塊相關(guān)參數(shù)即可輕松產(chǎn)生周期性斜坡信號(hào)。因此，考慮到TSF設(shè)計(jì)以及自動(dòng)測試實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度，優(yōu)先選用方案B。

使用方案B的設(shè)計(jì)思路，給出線性調(diào)頻脈沖信號(hào)TSF的接口屬性，如表2所示。編寫該信號(hào)的TSF庫XML文件，并使用TSF庫的XMLSchema(.xsd)文件驗(yàn)證擴(kuò)展TSF模型的格式合法性。

表2 LFM脈沖信號(hào)模型接口

LFM脈沖信號(hào)模型的TSF庫XML文件內(nèi)容如下：

uuid="{7C5304C2-A118-46D6-83F2-8AD2176B6161}">

type="Voltage">

type="Frequency">

type="Frequency">

type="Time">

type="Time">

xmlns="urn:IEEE-1641:2010:STDBSC">

delay="0" duration="pulse_dura" period="pulse_peri" repetition="0"/>

amplitude="1" period="pulse_peri"

riseTime="pulse_dura"/>

amplitude="car_ampl" frequencyDeviation="freq_devi" carrierFrequency="start_freq" In="Ramp_Component" Gate="RTX_Event_Train"/>

3 LFM脈沖信號(hào)仿真驗(yàn)證

3.1 LFM脈沖測試信號(hào)仿真

標(biāo)準(zhǔn)中給出的事件模塊輸出為

(1)

(2)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的調(diào)頻模塊的定義，其輸出信號(hào)為

(3)

式中：Ec為載波幅度；fc為載波頻率；kf為頻率偏移；m(t)為FM模塊輸入信號(hào)。

對(duì)于斜坡信號(hào)模塊，設(shè)置的最大幅度為1，在上升時(shí)間(等于門信號(hào)脈寬)τ內(nèi)，輸入信號(hào)為

(4)

因此，將式(4)代入式(3)可以得到在一個(gè)脈寬內(nèi)TSF輸出信號(hào)

(5)

式中：載波幅度Ec對(duì)應(yīng)TSF的freq_ampl屬性；載波頻率fc對(duì)應(yīng)TSF的start_freq屬性；頻率偏移kf對(duì)應(yīng)TSF的freq_devi屬性；脈寬τ對(duì)應(yīng)TSF的pulse_devi屬性。事件模塊的重復(fù)周期Tr對(duì)應(yīng)TSF的pulse_peri屬性。線性調(diào)頻信號(hào)的MATLAB仿真結(jié)果如圖6所示。實(shí)信號(hào)存在共軛對(duì)稱的雙邊譜，仿真中如果中頻小于信號(hào)帶寬的一半，就會(huì)導(dǎo)致正負(fù)頻譜發(fā)生混疊，造成頻譜不等幅的現(xiàn)象，從而與理想的線性調(diào)頻信號(hào)頻譜有明顯差異。在仿真中可以使用正交變換法構(gòu)造解析信號(hào)，然后求信號(hào)的單邊譜，以解決零中頻頻譜混疊的問題。

圖6 線性調(diào)頻信號(hào)仿真結(jié)果

3.2 LFM脈沖測試信號(hào)模型驗(yàn)證

XML格式的數(shù)據(jù)便于機(jī)器識(shí)別，同時(shí)具備良好的可讀性，也可以在不同的系統(tǒng)和平臺(tái)上交流數(shù)據(jù)[17]。將基于STD標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)模型XML靜態(tài)描述送測試設(shè)備讀取分析，即可獲得該信號(hào)的準(zhǔn)確定義，實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)間測試信息數(shù)據(jù)格式兼容和測試信息的共享。因此，為驗(yàn)證上述線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)模型，設(shè)計(jì)開發(fā)基于MATLAB APP Designer的測試信號(hào)模型加載驗(yàn)證軟件[18]。

軟件讀取TSF庫XML文件，根據(jù)……模塊內(nèi)容獲得信號(hào)模型接口，作為參數(shù)設(shè)置的依據(jù)；通過檢查……模塊內(nèi)容可以得到信號(hào)模型的模塊組成、模塊間的組合關(guān)系以及信號(hào)與參數(shù)之間的關(guān)系。測試信號(hào)模型加載驗(yàn)證軟件的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

① 讀取信號(hào)模型TSF庫文件，獲取模型描述和接口。

② 根據(jù)接口信息設(shè)置信號(hào)參數(shù)。

③ 生成信號(hào)實(shí)例XML接口數(shù)據(jù)文件。

加載XML模型文件時(shí)，首先讀取XML文件到結(jié)構(gòu)體數(shù)組中，提取……中模型接口信息，并根據(jù)接口信息，在軟件界面創(chuàng)建輸入框和屬性描述信息，在輸入?yún)?shù)后，可以生成一個(gè)XML接口文件以創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)實(shí)例。

以某一特定信號(hào)模型為例，運(yùn)行軟件后，加載信號(hào)模型，參數(shù)設(shè)置區(qū)加載信號(hào)模型接口，設(shè)置載波幅值1 V，起始頻率1 GHz，頻率偏差20 MHz，脈沖重復(fù)周期400 μs，脈沖持續(xù)時(shí)間100 μs，單擊參數(shù)確認(rèn)按鈕生成信號(hào)仿真結(jié)果，如圖7所示。生成的信號(hào)實(shí)例的XML接口文件數(shù)據(jù)為

< LFM_RTX_SIGNAL

name="LFM_RTX_SIGNAL1" car_ampl="1" start_freq ="1 GHz" freq_devi ="20 MHz" pulse_dura ="100 us" pulse_peri ="400 us" />

圖7 信號(hào)實(shí)例產(chǎn)生軟件界面

測試軟件的編寫嚴(yán)格按照STD標(biāo)準(zhǔn)，從圖7中可以看出，加載XML文件后測試軟件成功讀取模型名、識(shí)別碼以及各個(gè)信號(hào)模型的各個(gè)接口參數(shù)；輸入相關(guān)參數(shù)后軟件進(jìn)行波形的仿真。最終生成信號(hào)模型實(shí)例的XML接口文件可以作為面向信號(hào)的自動(dòng)測試系統(tǒng)中其他部分使用，也可以作為數(shù)據(jù)跨平臺(tái)的共享和交換，實(shí)現(xiàn)測試需求的可移植性。

3.3 LFM脈沖測試信號(hào)應(yīng)用

基于上文所述方法，根據(jù)實(shí)際雷達(dá)告警設(shè)備加載的威脅數(shù)據(jù)庫，設(shè)置信號(hào)相關(guān)參數(shù)模擬實(shí)際的LFM脈沖信號(hào)，產(chǎn)生雷達(dá)告警設(shè)備測試所需的信號(hào)環(huán)境。具體方案是使用計(jì)算機(jī)通過LAN總線控制矢量信號(hào)源，將由MATLAB生成的波形文件送到矢量信號(hào)源回放，產(chǎn)生雷達(dá)線性調(diào)頻脈沖信號(hào)[19]。

首先將矢量信號(hào)源回放的信號(hào)輸入頻譜分析儀，檢測到信號(hào)頻譜符合線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的基本特征，相關(guān)參數(shù)與所設(shè)置的信號(hào)參數(shù)一致，初步判斷生成的目標(biāo)信號(hào)滿足要求，基于STD標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展的信號(hào)模型符合實(shí)際測試需求。

實(shí)際的雷達(dá)告警設(shè)備測試過程中，在微波暗室內(nèi)模擬雷達(dá)告警設(shè)備工作的電磁環(huán)境，信號(hào)經(jīng)告警接收天線輸入到雷達(dá)告警接收機(jī)前端，通過告警設(shè)備的態(tài)勢畫面驗(yàn)證測試信號(hào)是否滿足要求，應(yīng)用測試場景如所圖8示。經(jīng)驗(yàn)證，通過該模型生成的LFM脈沖信號(hào)在實(shí)驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)上滿足要求，雷達(dá)告警設(shè)備態(tài)勢顯示畫面出現(xiàn)正確的雷達(dá)告警標(biāo)志符號(hào)，在雷達(dá)告警設(shè)備的引導(dǎo)下，裝備可以正確釋放對(duì)應(yīng)的干擾信號(hào)，進(jìn)一步驗(yàn)證了測試信號(hào)的正確性和合理性。

圖8 應(yīng)用測試場景圖

4 結(jié)束語

根據(jù)雷達(dá)告警設(shè)備測試需求，對(duì)STD標(biāo)準(zhǔn)中的信號(hào)類型進(jìn)行了擴(kuò)展，創(chuàng)建典型線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)的信號(hào)模型。利用MATLAB工具進(jìn)行了信號(hào)的仿真，并開發(fā)測試信號(hào)模型加載和驗(yàn)證軟件，可以創(chuàng)建線性調(diào)頻脈沖信號(hào)實(shí)例。以矢量信號(hào)發(fā)生器模擬產(chǎn)生該信號(hào)，送雷達(dá)告警設(shè)備進(jìn)行測試，實(shí)現(xiàn)該信號(hào)模型的應(yīng)用驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明，新擴(kuò)展的線性調(diào)頻脈沖雷達(dá)信號(hào)可以滿足雷達(dá)告警設(shè)備實(shí)際的自動(dòng)測試需求，這為以后雷達(dá)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化建模提供了重要參考，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。