王洪春， 文天柱， 李文海， 張家運

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

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

STD標準給出各種基本的物理信號模型，如電流、電壓、溫度、壓力等，并允許多個基本信號組件(Basic Signal Components,BSC)通過連接組合的方式生成復(fù)雜的測試信號模型(Test Signal Framework,TSF)，很大程度地擴展了標準的使用范圍[4]。其中，雷達發(fā)射信號模型僅以一種脈沖交流信號作為參考，對于具體的復(fù)雜信號模型均未涉及，這顯然無法滿足雷達告警設(shè)備效能驗證的需求。

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

線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation，LFM)脈沖信號是一種典型的脈沖壓縮雷達信號，因其具有大的時寬帶寬積、對多普勒頻移不敏感等優(yōu)良性能，在各個領(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，該體制雷達被證明可以在較低信噪比下正常工作，在實際使用中有著良好的探測效果。

首先根據(jù)LFM脈沖信號特點，基于STD標準中的BSC構(gòu)建LFM脈沖信號TSF，利用MATLAB進行信號仿真?；贛ATLAB APP Designer設(shè)計開發(fā)測試信號模型加載和實例創(chuàng)建軟件，創(chuàng)建信號實例，通過矢量信號源模擬產(chǎn)生實際的LFM脈沖信號。最終模擬的雷達信號送雷達告警接收機前端以測試新構(gòu)建信號模型的有效性。

1 STD標準中的雷達發(fā)射信號模型

STD標準可以提供明確的定義測試信號的能力[13]，并定義了SignalFunctions基本類，可以通過組合現(xiàn)有的信號函數(shù)來創(chuàng)建新的信號函數(shù)。其中，級別最低的基本類就是BSC，它是一切信號復(fù)用的基礎(chǔ)。IEEE1641標準層狀模型如圖1所示。其中，In、Out、Sync、Gate、Attribute和Value為BSC的接口，在其實例化時進行賦值。

圖1 IEEE1641標準層狀模型

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

圖2 雷達發(fā)射信號模型

表1 雷達發(fā)射信號模型接口

2 基于STD標準擴展LFM脈沖信號模型

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

信號在脈寬內(nèi)線性掃頻可以使用標準中規(guī)定的調(diào)頻(FM)模塊實現(xiàn)。調(diào)頻模塊是一種調(diào)制器，其正弦載波的瞬時頻率隨調(diào)制輸入信號的振幅而變化。它有3個屬性，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即可實現(xiàn)線性調(diào)頻。

標準中給出的斜坡信號模塊有兩種，分別是產(chǎn)生單個斜坡信號的單斜坡信號(SingleRamp)模塊和產(chǎn)生周期性斜坡信號的斜坡信號(Ramp)模塊。單斜坡信號模塊具有幅值、上升時間和開始時間3個屬性，使用時需要構(gòu)造一個脈寬內(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)。斜坡信號模塊具有斜坡信號幅值、上升時間和重復(fù)周期3個屬性，信號的斜率由最大振幅和過渡時間之比定義，使用時定義屬性即可產(chǎn)生特定周期性斜坡信號，無需添加額外觸發(fā)信號。另外，使用斜坡信號作為調(diào)制信號時，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間，輸出脈寬內(nèi)的線性調(diào)頻信號頻率特性只與頻率變化率有關(guān)。

標準中基本信號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運行時，當(dāng)同步信號每次被激活時，BSC都將重新啟動它的操作。BSC使用門屬性來控制其操作時，當(dāng)門信號處于未激活狀態(tài)時，BSC不工作；當(dāng)門信號處于激活狀態(tài)時，BSC處于工作狀態(tài)，但不會重新開始工作[15-16]。脈沖調(diào)制部分通過事件模塊控制調(diào)頻模塊的門屬性實現(xiàn)，考慮到線性調(diào)頻部分使用斜坡信號模塊的不同，總體線性調(diào)頻脈沖測試信號模型設(shè)計可以有兩種方案，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脈沖信號模型

圖4 方案B的LFM脈沖信號模型

方案A利用單斜坡信號模塊，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，輸入調(diào)頻模塊進行調(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使用斜坡信號模塊直接產(chǎn)生上升時間為脈寬的周期性斜坡信號直接輸入調(diào)頻模塊進行調(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，兩種方案中模塊產(chǎn)生信號如圖5所示。顯然，兩種方案產(chǎn)生的信號脈內(nèi)頻率呈線性變化，都符合LFM脈沖信號特征。

圖5 兩種方案中模塊產(chǎn)生信號圖

方案A中斜坡信號的產(chǎn)生依靠事件模塊周期性觸發(fā)SingleRamp模塊的同步接口，這對事件模塊輸出事件的時間精度要求較高；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。因此，考慮到TSF設(shè)計以及自動測試實現(xiàn)的復(fù)雜程度，優(yōu)先選用方案B。

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

表2 LFM脈沖信號模型接口

LFM脈沖信號模型的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脈沖信號仿真驗證

3.1 LFM脈沖測試信號仿真

標準中給出的事件模塊輸出為

(1)

(2)

根據(jù)標準中的調(diào)頻模塊的定義，其輸出信號為

(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。

對于斜坡信號模塊，設(shè)置的最大幅度為1，在上升時間(等于門信號脈寬)τ內(nèi)，輸入信號為

(4)

因此，將式(4)代入式(3)可以得到在一個脈寬內(nèi)TSF輸出信號

(5)

式中：載波幅度Ec對應(yīng)TSF的freq_ampl屬性；載波頻率fc對應(yīng)TSF的start_freq屬性；頻率偏移kf對應(yīng)TSF的freq_devi屬性；脈寬τ對應(yīng)TSF的pulse_devi屬性。事件模塊的重復(fù)周期Tr對應(yīng)TSF的pulse_peri屬性。線性調(diào)頻信號的MATLAB仿真結(jié)果如圖6所示。實信號存在共軛對稱的雙邊譜，仿真中如果中頻小于信號帶寬的一半，就會導(dǎo)致正負頻譜發(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，然后求信號的單邊譜，以解決零中頻頻譜混疊的問題。

圖6 線性調(diào)頻信號仿真結(jié)果

3.2 LFM脈沖測試信號模型驗證

XML格式的數(shù)據(jù)便于機器識別，同時具備良好的可讀性，也可以在不同的系統(tǒng)和平臺上交流數(shù)據(jù)[17]。將基于STD標準的信號模型XML靜態(tài)描述送測試設(shè)備讀取分析，即可獲得該信號的準確定義，實現(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，為驗證上述線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達信號模型，設(shè)計開發(fā)基于MATLAB APP Designer的測試信號模型加載驗證軟件[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)容可以得到信號模型的模塊組成、模塊間的組合關(guān)系以及信號與參數(shù)之間的關(guān)系。測試信號模型加載驗證軟件的具體實現(xiàn)步驟如下：

① 讀取信號模型TSF庫文件，獲取模型描述和接口。

② 根據(jù)接口信息設(shè)置信號參數(shù)。

③ 生成信號實例XML接口數(shù)據(jù)文件。

加載XML模型文件時，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XML接口文件以創(chuàng)建一個信號實例。

以某一特定信號模型為例，運行軟件后，加載信號模型，參數(shù)設(shè)置區(qū)加載信號模型接口，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)時間100 μs，單擊參數(shù)確認按鈕生成信號仿真結(jié)果，如圖7所示。生成的信號實例的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 信號實例產(chǎn)生軟件界面

測試軟件的編寫嚴格按照STD標準，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、識別碼以及各個信號模型的各個接口參數(shù)；輸入相關(guān)參數(shù)后軟件進行波形的仿真。最終生成信號模型實例的XML接口文件可以作為面向信號的自動測試系統(tǒng)中其他部分使用，也可以作為數(shù)據(jù)跨平臺的共享和交換，實現(xiàn)測試需求的可移植性。

3.3 LFM脈沖測試信號應(yīng)用

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

首先將矢量信號源回放的信號輸入頻譜分析儀，檢測到信號頻譜符合線性調(diào)頻脈沖信號的基本特征，相關(guān)參數(shù)與所設(shè)置的信號參數(shù)一致，初步判斷生成的目標信號滿足要求，基于STD標準擴展的信號模型符合實際測試需求。

實際的雷達告警設(shè)備測試過程中，在微波暗室內(nèi)模擬雷達告警設(shè)備工作的電磁環(huán)境，信號經(jīng)告警接收天線輸入到雷達告警接收機前端，通過告警設(shè)備的態(tài)勢畫面驗證測試信號是否滿足要求，應(yīng)用測試場景如所圖8示。經(jīng)驗證，通過該模型生成的LFM脈沖信號在實驗結(jié)果指標上滿足要求，雷達告警設(shè)備態(tài)勢顯示畫面出現(xiàn)正確的雷達告警標志符號，在雷達告警設(shè)備的引導(dǎo)下，裝備可以正確釋放對應(yīng)的干擾信號，進一步驗證了測試信號的正確性和合理性。

圖8 應(yīng)用測試場景圖

4 結(jié)束語

根據(jù)雷達告警設(shè)備測試需求，對STD標準中的信號類型進行了擴展，創(chuàng)建典型線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達信號的信號模型。利用MATLAB工具進行了信號的仿真，并開發(fā)測試信號模型加載和驗證軟件，可以創(chuàng)建線性調(diào)頻脈沖信號實例。以矢量信號發(fā)生器模擬產(chǎn)生該信號，送雷達告警設(shè)備進行測試，實現(xiàn)該信號模型的應(yīng)用驗證。實驗證明，新擴展的線性調(diào)頻脈沖雷達信號可以滿足雷達告警設(shè)備實際的自動測試需求，這為以后雷達信號標準化建模提供了重要參考，具有較高的應(yīng)用價值。