用寬帶示波器進(jìn)行雷達(dá)信號的矢量分析

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)的任務(wù)不僅是測量目標(biāo)的距離、方位和仰角，而且還包括測量目標(biāo)速度，以及從目標(biāo)回波中獲取更多有關(guān)目標(biāo)的信息。雷達(dá)是利用目標(biāo)對電磁波的發(fā)射（或稱為二次散射）現(xiàn)象來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定其位置的。老式雷達(dá)發(fā)射波形簡單，采用機(jī)械天線，信號處理簡單。這種雷達(dá)存在的問題是抗干擾能力差，無法在復(fù)雜環(huán)境下使用等問題。

由于航空、航天技術(shù)的飛速發(fā)展，飛機(jī)、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星及宇宙飛船等采用雷達(dá)作為探測和控制手段，對雷達(dá)提出了高精度、遠(yuǎn)距離、高分辨率及多目標(biāo)測量要求，新一代雷達(dá)對雷達(dá)原有技術(shù)作了相當(dāng)大的改進(jìn)，其中頻率捷變和脈沖壓縮技術(shù)、采用編碼擴(kuò)頻的低截獲概率雷達(dá)技術(shù)、動態(tài)目標(biāo)顯示和脈沖多普勒技術(shù)是非常重要的新技術(shù)。20世紀(jì)70年代后研制的新型雷達(dá)大部分采用了脈沖壓縮的體制。圖1是脈沖壓縮雷達(dá)的簡化圖。

圖1：脈沖壓縮雷達(dá)簡化圖

圖1中，雷達(dá)發(fā)射機(jī)（Transmitter）采用數(shù)字合成或其他技術(shù)產(chǎn)生功率脈沖，其波形是脈沖寬度為τ、重復(fù)頻率為Tτ的高頻脈沖串。在脈沖內(nèi)部采用線性調(diào)頻或相位編碼調(diào)制等技術(shù)。雷達(dá)接收機(jī)（Receiver）把雷達(dá)回波下變頻到中頻，通過脈沖壓縮濾波器（Pulse Compression Filter）后，脈沖被壓縮，壓縮的脈沖經(jīng)過基帶變換器（Synchronous I/Q Detector）變成基帶I與Q信號后使用ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號被送到信號處理機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號處理和分析。

現(xiàn)代雷達(dá)最常用兩種脈沖壓縮方式是線性調(diào)頻和巴克碼調(diào)制。下面介紹如何用寬帶雷達(dá)信號分析儀進(jìn)行線性調(diào)頻和巴克碼調(diào)制雷達(dá)信號的矢量分析。所謂矢量分析是相對于標(biāo)量分析而言的，不僅僅分析雷達(dá)信號的振幅－頻率、振幅－時間特性，還分析相位－頻率、相位－時間、群延遲、解調(diào)特性等。

寬帶示波器變身寬帶雷達(dá)分析儀

安捷倫的Infiniium示波器結(jié)合89601矢量信號分析軟件組成了寬帶雷達(dá)分析儀，能夠從脈沖，基帶，中頻和射頻/微波各種角度進(jìn)行雷達(dá)的多種測量和分析，主要包括：

1、雷達(dá)的脈沖參數(shù)測試，如上升時間、脈沖寬度及穩(wěn)定度、脈沖間隔及穩(wěn)定度等；

2、雷達(dá)的脈沖抖動，時鐘、PLL抖動等測試和分析；

3、雷達(dá)的脈內(nèi)初始相位測試；

4、雷達(dá)信號的矢量分析；

5、雷達(dá)接收機(jī)I/Q通道一致性測試；

6、雷達(dá)各類放大器的寬頻測試和在線測試等。

Infiniium示波器有600MHz～1GHz帶寬（4GSa/s采樣率），2GHz～7 GHz帶寬（20GSa/s采樣率），10GHz～13GHz帶寬（40GSa/s采樣率）多種選擇。結(jié)合89601矢量信號分析軟件，分析帶寬最高達(dá)到13GHz，成為名副其實的寬帶雷達(dá)分析儀。

89601本是用在安捷倫89600系列矢量信號分析儀的分析軟件，現(xiàn)在也可以直接裝在Infiniium示波器內(nèi)部，結(jié)合Infiniium示波器的硬件，進(jìn)行矢量信號、瞬變信號的分析，把Infinium示波器從時域測試，擴(kuò)展到頻域，解調(diào)域，甚至碼域的測試和分析。圖2是89601結(jié)合Infiniium示波器組成的寬帶雷達(dá)分析儀的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)。

圖2：寬帶雷達(dá)分析儀的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)

信號通過電纜或示波器的探頭（使用示波器探頭可以進(jìn)行在線測試）進(jìn)入示波器，在示波器內(nèi)部會先通過衰減器和前置放大器，然后信號被耦合到ADC進(jìn)行數(shù)字化，數(shù)字化的波形可以直接進(jìn)行顯示，或通過I/Q轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波變成I與Q信號（可以直接顯示I與Q信號）；再把時域的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換得到頻域數(shù)據(jù)；時域的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)處理即可進(jìn)行解調(diào)分析，比如顯示星座圖，或顯示碼域數(shù)據(jù)等。由圖可見，寬帶雷達(dá)分析儀實際上是一個硬件與軟件結(jié)合的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理過程，因為ADC有足夠高的實時采樣速率（高達(dá)40GSa/s），所以寬帶雷達(dá)分析儀有足夠高的分析帶寬，最高到13GHz。

89601還支持用戶自定義數(shù)學(xué)函數(shù)編輯，更加強(qiáng)了對矢量信號和雷達(dá)信號的分析功能。自定義數(shù)學(xué)函數(shù)包括：magnitude（量值）,real（實部）,conj（共軛）,fft（傅立葉變換）,ifft（反傅立葉變換）,phase（相位）等等，而且函數(shù)對象可以是不同種類的Trace Data蹤跡數(shù)據(jù)或data register數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)。函數(shù)之間運(yùn)算包括：+、-、x、/（加減乘除）。這樣我們可以對捕獲的信號進(jìn)行各種復(fù)雜的數(shù)字信號處理運(yùn)算而不需要把測試結(jié)果導(dǎo)出89601，利用其他軟件如Matlab等來處理。

線性調(diào)頻雷達(dá)矢量分析

線性調(diào)頻LFM是最常見的脈沖壓縮技術(shù)之一。圖3左邊部分是LFM脈沖壓縮原理，右邊部分是Chirp雷達(dá)信號的總體狀況窗口。

圖3：線性調(diào)頻LFM脈沖壓縮技術(shù)和Chirp雷達(dá)信號的總體狀況窗口

如圖3左邊部分所示，脈沖寬度為PW，脈內(nèi)線性調(diào)頻的雷達(dá)信號經(jīng)過脈沖壓縮濾波器后，脈沖寬帶被壓縮為PW_comp，脈沖壓縮比為：

(1)

同時有時間旁瓣電平SLL出現(xiàn)，SLL是脈沖壓縮的品質(zhì)尺度。

脈沖壓縮濾波器是關(guān)聯(lián)濾波器，在89601里，可以通過Math函數(shù)功能實現(xiàn)，因而就容易直接測試和分析雷達(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)射的LFM脈沖壓縮信號的旁瓣電平SLL了。

如圖3右邊部分所示，可以直接使用寬帶雷達(dá)分析儀顯示Chirp雷達(dá)信號的總體狀況：包括頻譜，脈沖包絡(luò)，星座圖，F(xiàn)M特性等，可以使用Marker功能測試線性調(diào)頻LFM的帶寬，對稱度和線性度等。

為了測試SLL，我們使用89601的自定義數(shù)學(xué)函數(shù)功能編輯測試值與理想值之間的頻域關(guān)聯(lián)函數(shù)，用此函數(shù)來仿真雷達(dá)接收機(jī)的脈沖壓縮濾波器。

而Ideal是存在Data Register D1中的理想LFM波形數(shù)據(jù)。

window是執(zhí)行FFT變換的窗口函數(shù)，這兒用Hanning漢寧窗口。在窗口中給出了輸入到Math中的表達(dá)式。

然后用Matlab來建立理想LFM波形數(shù)據(jù)，長度與被測波形數(shù)據(jù)一樣長：

（3）

采樣間隔（或采樣率）與測量時同樣的采樣間隔（或采樣率）：

（4）

SS89601為采樣間隔（Sample Spacing），SR89601為采樣率（Sample Rate），Span為掃寬。

然后，參考幫助中的“Creating A Recording Using an ASCII Editor”增加文件格式頭。產(chǎn)生的文件如下表所示，并把產(chǎn)生的文件導(dǎo)入到89601里的Data Register D1中。

表1：用Matlab產(chǎn)生的理想LFM波形數(shù)據(jù)

這樣，我們就得出如圖4中的測試結(jié)果，得出SLL具體數(shù)值，同時得出理想的SLL具體數(shù)值，也可以查看理想的FM和測試的FM情況。

圖4：線性調(diào)頻Chirp雷達(dá)的SLL測試

那么如何具體測量Chirp誤差呢？

（5）

在89601里，這可以表達(dá)為測量值與理想值振幅上的誤差比率或測量值與理想值相位上的不同。

對于FM誤差，我們可以使用時間上的群延遲函數(shù)進(jìn)行直接測量：

對于相位誤差測量，可以調(diào)整觸發(fā)延遲，去除時間偏置引起的相位偏置。圖5即為如此處理后的Chirp誤差測量結(jié)果。

圖5：Chirp雷達(dá)LFM誤差測試結(jié)果

巴克碼雷達(dá)矢量分析

巴克碼調(diào)制也是最常見的脈沖壓縮技術(shù)之一。圖6中左邊部分是巴克碼脈沖壓縮的示意圖，右邊部分是巴克碼雷達(dá)信號的總體查看。

圖6：巴克碼脈沖壓縮技術(shù)和巴克碼雷達(dá)信號的總體查看

如圖6左邊部分所示，巴克碼是二進(jìn)制相位編碼，經(jīng)過脈沖壓縮濾波器或關(guān)聯(lián)濾波器后：

峰值旁瓣<=幅值的1/N （其中N是巴克碼的長度）

旁瓣電平SLL是其品質(zhì)尺度，容易用89601中的數(shù)學(xué)函數(shù)功能來實現(xiàn)SLL的測量。

如圖6右邊部分所示，BPSK時域波形與常值包絡(luò)相似（圖的上部），同時具有0度或180度的相位轉(zhuǎn)換（圖的中部）。我們可以直接測試脈沖內(nèi)的相位轉(zhuǎn)換特性來分析巴克碼調(diào)制的結(jié)果。

更好的方法是利用89601的數(shù)字解調(diào)器功能來簡化分析，其中解調(diào)分析中的符號速率為：

（6）

打開89601的數(shù)字解調(diào)器后，89601可以直接測試調(diào)制品質(zhì)，或EVM（矢量幅度誤差）。89601的數(shù)字解調(diào)器有非常強(qiáng)大的功能，能夠直接鎖定載波和符號數(shù)據(jù)，能夠解出具體的符號數(shù)據(jù)，能夠得出理想的調(diào)制特性等等。打開數(shù)字解調(diào)器后，可以顯示如圖7所示的各種波形，得出EVM測試結(jié)果。

圖7：打開89601數(shù)字解調(diào)器后，直接測試巴克碼調(diào)制品質(zhì)EVM

我們可以使用Math自定義數(shù)學(xué)函數(shù)功能來進(jìn)行SLL測試。在Math里進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理。

（7）

其中，理想IQ波形ref(t)已經(jīng)由89601的數(shù)字解調(diào)器得出來，我們就不需要再用Matlab等工具編輯產(chǎn)生了。conj是共軛函數(shù)。在Math里，輸入具體關(guān)聯(lián)函數(shù)如下：

得出SLL的測量結(jié)果如圖8所示，得出SLL為－24dB。

圖8：巴克碼雷達(dá)SLL測量結(jié)果

總結(jié)

從上面的兩種典型脈沖壓縮雷達(dá)信號測量分析中，我們可以看出Infiniium矢量示波器或?qū)拵Ю走_(dá)分析儀能夠進(jìn)行雷達(dá)信號的矢量分析。

89601本身已經(jīng)有各種功能進(jìn)行雷達(dá)信號的測量和分析，比如：頻譜，相位，I/Q星座圖等，如果打開數(shù)字解調(diào)器功能，分析功能將更多，比如：EVM，解碼，得出理想波形等；如果我們再利用89601的自定義數(shù)學(xué)函數(shù)功能，可以把89601的功能擴(kuò)展，比如做誤差分析，SLL分析等。

Infiniium矢量示波器或?qū)拵Ю走_(dá)分析儀因為利用了實時示波器的捕獲和采集功能，可以直接測試分析基帶，中頻，射頻/微波信號，而且分析帶寬非常高，最高到13GHz。另外，使用示波器的高阻有源探頭，還可以支持在線測試，在不影響系統(tǒng)的運(yùn)行條件下進(jìn)行在線測量和分析。