基于STD标准的LFM脉冲信号建模与应用

王洪春， 文天柱， 李文海， 张家运

(1.海军航空大学 航空作战勤务学院，山东 烟台 264001； 2.中国人民解放军92095部队，浙江 台州 317000)

一直以来，开放性和通用性都是自动测试系统(Automatic Test System,ATS)设计的目标，但是不同测试系统开发人员对于信号的定义不同，导致了信号定义模糊、测试重用性差、信息应用面窄等问题[1]。为此，信号和测试定义(Signal and Test Definition,STD)标准诞生，以严格的数学形式对信号进行定义和描述，建立组件化的信号模型库，消除了对于信号定义方面产生的歧义[2-3]。

STD标准给出各种基本的物理信号模型，如电流、电压、温度、压力等，并允许多个基本信号组件(Basic Signal Components,BSC)通过连接组合的方式生成复杂的测试信号模型(Test Signal Framework,TSF)，很大程度地扩展了标准的使用范围[4]。其中，雷达发射信号模型仅以一种脉冲交流信号作为参考，对于具体的复杂信号模型均未涉及，这显然无法满足雷达告警设备效能验证的需求。

STD标准自提出以来经历了多次修订，国内学者也进行了一些研究，主要集中在应用领域。卢慧卿等[5]利用STD标准的测试流程描述语言进行了标准化描述；王怡苹等[6]采用测试软件分层描述的方式,以信号模型为中心，给出了仪器模型和测试任务模型；牛双诚等[7]研究了面向信号的仪器描述模型，并在LabWindows/CVI TM集成环境下进行了实现。在复杂信号扩展方法方面，张佳[8]以2个正弦信号的简单叠加说明了信号可以复用；王怡苹和刘斌斌等[9-10]提出了满足STD标准的总线信号扩展方法。但是以上研究扩展的信号模型都以直接列出了信号的属性接口和模型描述的方法提出，对于STD标准提出的利用BSC构建TSF方法均未涉及，模型构建只能参考标准附录，实现难度大。

线性调频(Linear Frequency Modulation，LFM)脉冲信号是一种典型的脉冲压缩雷达信号，因其具有大的时宽带宽积、对多普勒频移不敏感等优良性能，在各个领域都得到了广泛应用[11-12]。随着脉冲压缩技术的逐步成熟，该体制雷达被证明可以在较低信噪比下正常工作，在实际使用中有着良好的探测效果。

首先根据LFM脉冲信号特点，基于STD标准中的BSC构建LFM脉冲信号TSF，利用MATLAB进行信号仿真。基于MATLAB APP Designer设计开发测试信号模型加载和实例创建软件，创建信号实例，通过矢量信号源模拟产生实际的LFM脉冲信号。最终模拟的雷达信号送雷达告警接收机前端以测试新构建信号模型的有效性。

1 STD标准中的雷达发射信号模型

STD标准可以提供明确的定义测试信号的能力[13]，并定义了SignalFunctions基本类，可以通过组合现有的信号函数来创建新的信号函数。其中，级别最低的基本类就是BSC，它是一切信号复用的基础。IEEE1641标准层状模型如图1所示。其中，In、Out、Sync、Gate、Attribute和Value为BSC的接口，在其实例化时进行赋值。

图1 IEEE1641标准层状模型

复杂测试信号主要通过调用BSC实现。在标准中给出的基本的雷达发射信号框架如图2所示。它由一个事件模块和一个正弦信号模块构成，经过复合后事件模块的输出事件数(repetition)、持续时间(duration)、第一个事件延迟时间(delay)和事件重复周期(prf)以及正弦信号模块的信号幅值(ampl)和重复频率(freq)构成了雷达发射信号模型自身的接口，如表1所示。其中，脉冲数默认值为0表示连续重复脉冲。显然，此基本的雷达发射信号模型实质上是经过脉冲调制的简单定频信号，在实际测试中不具有实用意义，难以满足当前自动测试要求。

图2 雷达发射信号模型

表1 雷达发射信号模型接口

2 基于STD标准扩展LFM脉冲信号模型

LFM脉冲信号，是指频率在脉宽内进行线性扫描，通过频率调制获得大带宽，同时采用大脉宽以保持发射信号能量，使雷达具有较远距离、高分辨探测能力的一类宽带雷达信号[14]。从信号的样式来看，LFM脉冲雷达信号可以看作基带信号经线性调频再经过脉冲调制后产生。

信号在脉宽内线性扫频可以使用标准中规定的调频(FM)模块实现。调频模块是一种调制器，其正弦载波的瞬时频率随调制输入信号的振幅而变化。它有3个属性，分别是未调制的载波幅值、载频频率和频率偏移。因此，只需要输入特定的斜坡信号即可实现线性调频。

标准中给出的斜坡信号模块有两种，分别是产生单个斜坡信号的单斜坡信号(SingleRamp)模块和产生周期性斜坡信号的斜坡信号(Ramp)模块。单斜坡信号模块具有幅值、上升时间和开始时间3个属性，使用时需要构造一个脉宽内的频率变化规律，然后使用外部事件控制的方式，控制其周期性的触发。斜坡信号模块具有斜坡信号幅值、上升时间和重复周期3个属性，信号的斜率由最大振幅和过渡时间之比定义，使用时定义属性即可产生特定周期性斜坡信号，无需添加额外触发信号。另外，使用斜坡信号作为调制信号时，如果设置斜坡幅值为1 V，并且脉冲调制的脉宽等于上升时间，输出脉宽内的线性调频信号频率特性只与频率变化率有关。

标准中基本信号模块有通过同步属性控制和门属性控制两种控制方式。使用同步属性控制BSC运行时，当同步信号每次被激活时，BSC都将重新启动它的操作。BSC使用门属性来控制其操作时，当门信号处于未激活状态时，BSC不工作；当门信号处于激活状态时，BSC处于工作状态，但不会重新开始工作[15-16]。脉冲调制部分通过事件模块控制调频模块的门属性实现，考虑到线性调频部分使用斜坡信号模块的不同，总体线性调频脉冲测试信号模型设计可以有两种方案，分别记为方案A和方案B，如图3和图4所示。

图3 方案A的LFM脉冲信号模型

图4 方案B的LFM脉冲信号模型

方案A利用单斜坡信号模块，使用事件模块产生事件控制其同步属性产生周期性斜坡信号，输入调频模块进行调频输出，事件模块产生事件控制调频模块门属性。方案B使用斜坡信号模块直接产生上升时间为脉宽的周期性斜坡信号直接输入调频模块进行调频输出，利用事件模块产生事件控制调频模块门属性。分别使用两种方案时，两种方案中模块产生信号如图5所示。显然，两种方案产生的信号脉内频率呈线性变化，都符合LFM脉冲信号特征。

图5 两种方案中模块产生信号图

方案A中斜坡信号的产生依靠事件模块周期性触发SingleRamp模块的同步接口，这对事件模块输出事件的时间精度要求较高；相比之下，方案B依靠Ramp模块自身特性，只需事先确定模块相关参数即可轻松产生周期性斜坡信号。因此，考虑到TSF设计以及自动测试实现的复杂程度，优先选用方案B。

使用方案B的设计思路，给出线性调频脉冲信号TSF的接口属性，如表2所示。编写该信号的TSF库XML文件，并使用TSF库的XMLSchema(.xsd)文件验证扩展TSF模型的格式合法性。

表2 LFM脉冲信号模型接口

LFM脉冲信号模型的TSF库XML文件内容如下：

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脉冲信号仿真验证

3.1 LFM脉冲测试信号仿真

标准中给出的事件模块输出为

(1)

(2)

根据标准中的调频模块的定义，其输出信号为

(3)

式中：Ec为载波幅度；fc为载波频率；kf为频率偏移；m(t)为FM模块输入信号。

对于斜坡信号模块，设置的最大幅度为1，在上升时间(等于门信号脉宽)τ内，输入信号为

(4)

因此，将式(4)代入式(3)可以得到在一个脉宽内TSF输出信号

(5)

式中：载波幅度Ec对应TSF的freq_ampl属性；载波频率fc对应TSF的start_freq属性；频率偏移kf对应TSF的freq_devi属性；脉宽τ对应TSF的pulse_devi属性。事件模块的重复周期Tr对应TSF的pulse_peri属性。线性调频信号的MATLAB仿真结果如图6所示。实信号存在共轭对称的双边谱，仿真中如果中频小于信号带宽的一半，就会导致正负频谱发生混叠，造成频谱不等幅的现象，从而与理想的线性调频信号频谱有明显差异。在仿真中可以使用正交变换法构造解析信号，然后求信号的单边谱，以解决零中频频谱混叠的问题。

图6 线性调频信号仿真结果

3.2 LFM脉冲测试信号模型验证

XML格式的数据便于机器识别，同时具备良好的可读性，也可以在不同的系统和平台上交流数据[17]。将基于STD标准的信号模型XML静态描述送测试设备读取分析，即可获得该信号的准确定义，实现测试系统间测试信息数据格式兼容和测试信息的共享。因此，为验证上述线性调频脉冲压缩雷达信号模型，设计开发基于MATLAB APP Designer的测试信号模型加载验证软件[18]。

软件读取TSF库XML文件，根据……模块内容获得信号模型接口，作为参数设置的依据；通过检查……模块内容可以得到信号模型的模块组成、模块间的组合关系以及信号与参数之间的关系。测试信号模型加载验证软件的具体实现步骤如下：

① 读取信号模型TSF库文件，获取模型描述和接口。

② 根据接口信息设置信号参数。

③ 生成信号实例XML接口数据文件。

加载XML模型文件时，首先读取XML文件到结构体数组中，提取……中模型接口信息，并根据接口信息，在软件界面创建输入框和属性描述信息，在输入参数后，可以生成一个XML接口文件以创建一个信号实例。

以某一特定信号模型为例，运行软件后，加载信号模型，参数设置区加载信号模型接口，设置载波幅值1 V，起始频率1 GHz，频率偏差20 MHz，脉冲重复周期400 μs，脉冲持续时间100 μs，单击参数确认按钮生成信号仿真结果，如图7所示。生成的信号实例的XML接口文件数据为

< 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" />

图7 信号实例产生软件界面

测试软件的编写严格按照STD标准，从图7中可以看出，加载XML文件后测试软件成功读取模型名、识别码以及各个信号模型的各个接口参数；输入相关参数后软件进行波形的仿真。最终生成信号模型实例的XML接口文件可以作为面向信号的自动测试系统中其他部分使用，也可以作为数据跨平台的共享和交换，实现测试需求的可移植性。

3.3 LFM脉冲测试信号应用

基于上文所述方法，根据实际雷达告警设备加载的威胁数据库，设置信号相关参数模拟实际的LFM脉冲信号，产生雷达告警设备测试所需的信号环境。具体方案是使用计算机通过LAN总线控制矢量信号源，将由MATLAB生成的波形文件送到矢量信号源回放，产生雷达线性调频脉冲信号[19]。

首先将矢量信号源回放的信号输入频谱分析仪，检测到信号频谱符合线性调频脉冲信号的基本特征，相关参数与所设置的信号参数一致，初步判断生成的目标信号满足要求，基于STD标准扩展的信号模型符合实际测试需求。

实际的雷达告警设备测试过程中，在微波暗室内模拟雷达告警设备工作的电磁环境，信号经告警接收天线输入到雷达告警接收机前端，通过告警设备的态势画面验证测试信号是否满足要求，应用测试场景如所图8示。经验证，通过该模型生成的LFM脉冲信号在实验结果指标上满足要求，雷达告警设备态势显示画面出现正确的雷达告警标志符号，在雷达告警设备的引导下，装备可以正确释放对应的干扰信号，进一步验证了测试信号的正确性和合理性。

图8 应用测试场景图

4 结束语

根据雷达告警设备测试需求，对STD标准中的信号类型进行了扩展，创建典型线性调频脉冲压缩雷达信号的信号模型。利用MATLAB工具进行了信号的仿真，并开发测试信号模型加载和验证软件，可以创建线性调频脉冲信号实例。以矢量信号发生器模拟产生该信号，送雷达告警设备进行测试，实现该信号模型的应用验证。实验证明，新扩展的线性调频脉冲雷达信号可以满足雷达告警设备实际的自动测试需求，这为以后雷达信号标准化建模提供了重要参考，具有较高的应用价值。