雷達測量與信號分析基礎——第三部分

在分析雷達系統(tǒng)時，一個關鍵挑戰(zhàn)在于沒有萬能的解決方案。部分原因是，表征雷達系統(tǒng)需要時域和頻域信息。脈沖分析天然適用于示波器等時域儀器。然而，重復脈沖的分析需要專門的軟件來分析多個脈沖間脈沖特性的變化。

脈沖調制的分析和解碼天然適合使用頻域儀器，例如頻譜分析儀。如今，雷達系統(tǒng)的仿真需要對接收信號進行大量的數(shù)字信號處理(DSP)，以進行脈沖壓縮和多普勒處理。有些處理在時域中效率最高，有些則在頻域中效率最高。

根據儀器的基本優(yōu)勢，選擇測量雷達脈沖的最佳設備通常取決于脈沖的性質以及它是否與現(xiàn)有測試設備的性能相匹配。

脈沖射頻載波頻率是基本參數(shù)。如果現(xiàn)有設備無法覆蓋相關頻率，則除了基頻測試儀之外，還需要一個頻率轉換器。這種轉換器可能會引入相位和頻率平坦度缺陷或其他失真。對這些缺陷的校正必須是測量系統(tǒng)不可或缺的一部分。

脈沖帶寬是下一個需要考慮的因素?，F(xiàn)代雷達使用更寬帶寬的脈沖，例如更快的上升時間和更寬的調制帶寬。許多測量只有在一次性捕獲整個帶寬的情況下才能正確進行。

第三個需要考慮的因素是調制方式。需要測量哪些不同的調制方式？調制方式的哪些特性至關重要？某些類型的啁啾脈沖僅要求載波頻率在指定范圍內掃描。但其他類型的啁啾脈沖則要求載波頻率掃描滿足線性度要求。這些脈沖參數(shù)會影響測試設備的線性度和動態(tài)范圍要求，以及儀器測量帶寬的相位和頻率平坦度。

在存在大功率信號的情況下測量小信號，或者在長時間間隔內進行高精度相位測量，可能需要高動態(tài)范圍或高位深度的數(shù)字化。

時域分析

示波器是檢測電壓隨時間變化的基本工具，尤其適用于顯示基帶脈沖的波形。對于具有極快轉換時間或極短持續(xù)時間（亞納秒或更短）的脈沖，高性能示波器利用快速采集模式也能精確顯示。該模式縮短了波形采集之間的死區(qū)時間，從而能夠捕獲和顯示諸如毛刺或短脈沖等瞬態(tài)事件?？焖俨杉Ｊ竭€能以反映波形出現(xiàn)頻率的強度顯示波形現(xiàn)象。

快速采集的一個實用應用是查找基帶脈沖時域瞬態(tài)誤差。如下圖所示，即使只有一個脈沖，其脈沖寬度也比數(shù)十萬個正確脈沖的寬度還要窄。信號持續(xù)性溫度標尺上的藍色區(qū)域表示出現(xiàn)頻率最低的區(qū)域，而紅色區(qū)域則表示信號中每次都相同的部分。在下一張圖中，您可以看到脈沖序列中的單個瞬態(tài)毛刺。

示波器的快速采集模式可能會顯示單個過窄的脈沖。

圖2. 在脈沖序列中發(fā)現(xiàn)單個瞬態(tài)故障。

示波器最強大的功能之一是觸發(fā)。例如，高性能示波器的觸發(fā)系統(tǒng)可以檢測到寬度小于200 ps 的瞬態(tài)毛刺。脈沖寬度觸發(fā)等高級觸發(fā)類型可用于捕獲和分析一系列時長或幅度變化的射頻脈沖中的特定脈沖。觸發(fā)抖動是實現(xiàn)可重復測量的關鍵因素，理想情況下應小于 1 ps rms。

像泰克MDO4000C這樣的混合域示波器可以提供額外的觸發(fā)優(yōu)勢，能夠同時觸發(fā)和采集多個通道的信號。這使得模擬、數(shù)字和射頻域的信號采集在時間上是相關的，并且可以觀察射頻信號的頻譜和矢量特性如何隨時間變化，以及模擬和數(shù)字信號的變化情況。

泰克示波器配備的全自動脈沖時序測量套件，與先進的觸發(fā)系統(tǒng)相輔相成，可實現(xiàn)更一致的測量結果。單鍵即可選擇上升時間、下降時間、脈沖寬度和其他參數(shù)，從而簡化測量過程并節(jié)省時間。

頻譜分析儀測量

傳統(tǒng)的掃頻頻譜分析儀是一種簡單的射頻檢測器，它能夠有效地掃描選定的射頻頻率范圍。這樣就能顯示選定頻率范圍內所有信號的組合射頻頻譜。雖然有些射頻頻譜測量可以通過在頻譜顯示器上標記來手動完成，但由于手動測量非常繁瑣，大多數(shù)儀器通常都采用自動化程序。常見的自動化測量包括占用帶寬(OBW)、互補累積分布函數(shù) (CCDF) 和鄰道功率比 (ACPR)，后者也稱為頻譜再生。

占用帶寬對于脈沖雷達而言最為重要。大多數(shù)雷達必須滿足特定的帶寬要求，以避免干擾工作在附近頻率的射頻系統(tǒng)。該測量方法會檢查信號的射頻頻譜，并找到最高幅度值。然后，對整個頻譜上的功率進行積分，從而得出指定百分比的總功率所占用的帶寬。

然而，若要獲得更強大的功能，您需要使用實時頻譜分析儀(RSA)。這類儀器具有類似于掃頻頻譜分析儀的射頻轉換部分。數(shù)字化采樣數(shù)據由硬件 DSP 直接處理，并可同時保存到內存或硬盤中。該硬件處理器執(zhí)行離散時間變換，生成射頻頻譜信息。這可以實現(xiàn)對選定頻率事件的實時觸發(fā)，或顯示數(shù)字熒光頻譜，從而發(fā)現(xiàn)射頻瞬態(tài)信號并顯示同頻時分復用的射頻信號。例如，如果沒有熒光模擬，下圖只會顯示較大的線性調頻 (LFM) 信號，而連續(xù)波 (CW) 信號則“凸顯”在左上方。但有了熒光模擬，您可以看到第二個功率較低的 LFM 信號，其頻率與 LFM 信號重疊。此外，還可以觀察到幾個單頻脈沖載波和兩個連續(xù)波 (CW) 干擾信號。

一個頻段內出現(xiàn)多個啁啾聲

與我們的示波器一樣，泰克RSA頻譜分析儀通過自動脈沖測量，提高信號細節(jié)和測量重復性，從而節(jié)省用戶時間并提升工作效率。在某些情況下，像泰克RSA7100B這樣的頻譜分析儀功能更強大，可以存儲長達兩小時的采集數(shù)據，識別其中的脈沖，并測量每個脈沖的全套參數(shù)，例如時序、頻率和相位參數(shù)。此外，還可以對結果進行進一步處理，以顯示趨勢或識別發(fā)射機。

如今雷達系統(tǒng)采用多種技術，因此需要一系列測試設備來進行高級分析和故障排除。為了在當今環(huán)境中取得成功，設計人員需要功能強大的工具來驗證采用先進掃描方法的設計——這些工具能夠處理復雜的雷達基帶、中頻和射頻信號，并識別多系統(tǒng)干擾。此外，為了全面表征調制脈沖雷達，必須在時域和頻域進行分析。這就需要同時使用時域儀器（例如高性能示波器）和頻域儀器（例如實時頻譜分析儀）。