4 種測量雷達(dá)信號脈沖調(diào)制的方法

現(xiàn)代雷達(dá)信號利用脈沖內(nèi)調(diào)制或脈沖調(diào)制（MOP），例如線性調(diào)頻（LFM）或某種形式的相位調(diào)制（例如雙相巴克碼），來提高距離分辨率。它們還包含脈沖調(diào)制，以占用更多帶寬，從而降低截獲概率（POI）。此外，脈沖內(nèi)調(diào)制還可以包含某種形式的通信或數(shù)據(jù)傳輸，例如在敵我識別（IFF）系統(tǒng)的二次監(jiān)視雷達(dá)（SSR）中。這些系統(tǒng)采用各種MOP技術(shù)，例如頻移鍵控（FSK）或相移鍵控（PSK）。其他LPI技術(shù)包括脈沖間調(diào)制，例如脈沖間跳頻。

盡管這些技術(shù)為雷達(dá)系統(tǒng)帶來了顯著優(yōu)勢，但也帶來了新的測量挑戰(zhàn)和要求。測試和測量儀器必須具備寬采集帶寬，并能在時域和頻域進(jìn)行矢量信號分析。這使得雷達(dá)工程師和研究人員能夠同時考察脈沖的標(biāo)量特性（上升和下降時間、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率以及其他時域特性）和脈沖及脈沖序列的矢量或調(diào)制特性（脈沖內(nèi)部和脈沖之間的頻率和相位偏差，以及脈沖內(nèi)調(diào)制技術(shù)的調(diào)制分析）。

在這篇短文中，我們將探討運(yùn)行在實(shí)時頻譜分析儀和寬帶示波器上的泰克軟件如何幫助您對雷達(dá)信號進(jìn)行以下四項測量：

· 振幅與時間的關(guān)系

· 相位與時間

· 頻率與時間

· 更復(fù)雜的調(diào)制方案，例如BPSK、QPSK、QAM 等。

振幅與時間的關(guān)系

上升時間和下降時間的測量有兩種不同的定義。許多測量方法使用滿幅值的10% 到 90% 作為過渡時間的定義，但在某些情況下，定義范圍為 20% 到 80%。泰克SignalVu 軟件允許用戶選擇其中一種定義，如下圖所示：

這些點(diǎn)被定義為脈沖波形上的電壓點(diǎn)。然而，即使定義如此靈活，仍然不夠。如何確定脈沖的頂部會極大地影響過渡時間的定義。如果脈沖頂部平坦，則可以根據(jù)信號功率超過特定閾值來計算脈沖持續(xù)時間，不會出現(xiàn)問題。但是，如果脈沖頂部傾斜或下垂，則軟件可能會錯誤地計算下降時間。假設(shè)脈沖在其持續(xù)時間內(nèi)下降了20%。上升過渡點(diǎn)位于頂部最高點(diǎn)的 90%，因此軟件會報告正確的上升時間。但是，由于脈沖下垂，“下降”的 90% 點(diǎn)將位于脈沖的中間位置，因此下降時間將非常不準(zhǔn)確。SignalVu 包含一個補(bǔ)償選項來解決這個問題。

圖1. 50% 水平定義

脈沖波形“50%點(diǎn)”的定義有兩種標(biāo)準(zhǔn)。基帶脈沖測量通常假定脈沖的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)是電壓波形的50%點(diǎn)（圖1）。然而，對射頻調(diào)制脈沖的測量有時假定50%點(diǎn)是以射頻功率而非電壓表示的。SignalVu軟件允許用戶選擇使用哪種定義來定義脈沖的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)（圖2）。這些設(shè)置會影響脈沖寬度、周期、頻率偏差和誤差、相位偏差和誤差、紋波、下垂、導(dǎo)通功率以及脈沖間相位和頻率的測量結(jié)果。

圖2. SignalVu 捕獲脈沖并顯示上升時間和下降時間

相位與時間

在簡單的相位-時間圖中，相位參考點(diǎn)是采集記錄的起始點(diǎn)。SignalVu 軟件利用該參考點(diǎn)繪制相位與采樣點(diǎn)數(shù)（以時間表示）的關(guān)系圖。

圖3 右側(cè)顯示的是頻率隨時間變化的曲線，左側(cè)顯示的是同一采集過程的相位隨時間變化的曲線。信號為單脈沖，采用 Barker 編碼相位調(diào)制。相位圖顯示了脈沖內(nèi)的各個相位段。需要注意的是，對于這種編碼，第一段和第二段之間以及第三段和第四段之間的相位值保持不變，這使得圖中看起來有兩個相位段的寬度是其他相位段的兩倍。

圖3. 右側(cè)顯示頻率與時間的關(guān)系圖，左側(cè)顯示同一采集過程的相位與時間的關(guān)系圖。

頻率圖顯示出非常大的頻率突變，這是因?yàn)橄辔徽{(diào)制存在兩個問題。首先，各個頻段本身的相位并不連續(xù)。這雖然不會影響相位圖，但會在相位變化的瞬間造成較大的瞬時頻率調(diào)制。這種不連續(xù)性是一種非常短暫的寬帶頻譜“飛濺”，它可能在極短的時間內(nèi)超出允許的頻譜范圍，干擾附近頻率的設(shè)備，甚至可能為該雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生可識別的“特征信號”。

第二個問題是，該發(fā)射機(jī)上似乎幾乎沒有帶寬限制濾波器。這加劇了這些相位不連續(xù)性。如果進(jìn)行了濾波，頻率響應(yīng)曲線就會變得平坦。

對于相位-時間圖，需要注意的是，由于相位參考點(diǎn)是采集記錄的起始點(diǎn)，如果記錄起始于脈沖內(nèi)（觸發(fā)），則不同采集之間的相位可能相似。但如果記錄起始點(diǎn)是隨機(jī)的，則相位參考點(diǎn)位于脈沖間噪聲中。這將導(dǎo)致不同采集之間的相位參考點(diǎn)出現(xiàn)較大的隨機(jī)變化。

頻率與時間

頻率-時間顯示功能可以測量任何單個輸入信號（包括脈沖）的頻率。與任何調(diào)頻檢測器一樣，它會測量其檢測帶寬內(nèi)所有信號的組合，因此用戶應(yīng)限制儀器的捕獲帶寬，以排除除目標(biāo)信號之外的任何其他信號。

SignalVu 軟件通過測量每個采樣點(diǎn)的相位來計算頻率隨時間的變化，然后將兩個相鄰采樣點(diǎn)之間的相位變化除以這兩個采樣點(diǎn)之間的時間間隔，公式為“f = ? ? / ?t”。圖 4 顯示了頻率從一個采樣點(diǎn)到下一個采樣點(diǎn)的變化曲線，橫軸為時間，方便用戶查看。需要注意的是，由于這只是相位變化隨時間的變化曲線，因此無需參考時間（主儀器的時基除外），并且頻率曲線顯示的是絕對頻率。

圖4. 相鄰樣本頻率變化圖

通用調(diào)制測量

數(shù)字調(diào)制信號的分析更為復(fù)雜，因?yàn)闇y量內(nèi)容包括脈沖的幅度和相位，并將其與特定的離散幅度和相位組合（符號）進(jìn)行比較。這些測量通常需要用戶輸入調(diào)制類型、符號速率以及測量和參考濾波器參數(shù)，如圖5 所示。

圖5. 對數(shù)字調(diào)制信號進(jìn)行分析需要輸入調(diào)制類型、符號速率以及測量和參考濾波器參數(shù)。

隨后，該儀器可以更精確地執(zhí)行測量，并顯示符號星座圖、誤差圖、信號質(zhì)量和解調(diào)后的符號表。圖6 左側(cè)顯示了高階 QAM 脈沖的星座圖，右側(cè)顯示了信號質(zhì)量和頻譜圖。

圖6. 左側(cè)為高階 QAM 脈沖的星座圖，右側(cè)為信號質(zhì)量和頻譜圖。

泰克公司提供種類繁多的適用于雷達(dá)脈沖的測試設(shè)備。其中包括具有專用脈沖測量功能和高達(dá)70 GHz 測量帶寬的儀器，以及具有雷達(dá)脈沖合成能力、瞬時帶寬接近 15 GHz 的信號發(fā)生設(shè)備。