用寬帶示波器進行雷達信號的矢量分析

前言

隨著雷達技術的發展，雷達的任務不僅是測量目標的距離、方位和仰角，而且還包括測量目標速度，以及從目標回波中獲取更多有關目標的信息。雷達是利用目標對電磁波的發射（或稱為二次散射）現象來發現目標並測定其位置的。老式雷達發射波形簡單，採用機械天線，信號處理簡單。這種雷達存在的問題是抗幹擾能力差，無法在複雜環境下使用等問題。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/335449.htm

由於航空、航天技術的飛速發展，飛機、飛彈、人造衛星及宇宙飛船等採用雷達作為探測和控制手段，對雷達提出了高精度、遠距離、高解析度及多目標測量要求，新一代雷達對雷達原有技術作了相當大的改進，其中頻率捷變和脈衝壓縮技術、採用編碼擴頻的低截獲概率雷達技術、動態目標顯示和脈衝都卜勒技術是非常重要的新技術。20世紀70年代後研製的新型雷達大部分採用了脈衝壓縮的體制。圖1是脈衝壓縮雷達的簡化圖。

圖1：脈衝壓縮雷達簡化圖

圖1中，雷達發射機（Transmitter）採用數字合成或其他技術產生功率脈衝，其波形是脈衝寬度為τ、重複頻率為Tτ的高頻脈衝串。在脈衝內部採用線性調頻或相位編碼調製等技術。雷達接收機（Receiver）把雷達回波下變頻到中頻，通過脈衝壓縮濾波器（Pulse Compression Filter）後，脈衝被壓縮，壓縮的脈衝經過基帶變換器（Synchronous I/Q Detector）變成基帶I與Q信號後使用ADC進行模數轉換，轉換後的數位訊號被送到信號處理機進行數位訊號處理和分析。

現代雷達最常用兩種脈衝壓縮方式是線性調頻和巴克碼調製。下面介紹如何用寬帶雷達信號分析儀進行線性調頻和巴克碼調製雷達信號的矢量分析。所謂矢量分析是相對於標量分析而言的，不僅僅分析雷達信號的振幅－頻率、振幅－時間特性，還分析相位－頻率、相位－時間、群延遲、解調特性等。

寬帶示波器變身寬帶雷達分析儀

安捷倫的Infiniium示波器結合89601矢量信號分析軟體組成了寬帶雷達分析儀，能夠從脈衝，基帶，中頻和射頻/微波各種角度進行雷達的多種測量和分析，主要包括：

1、雷達的脈衝參數測試，如上升時間、脈衝寬度及穩定度、脈衝間隔及穩定度等；

2、雷達的脈衝抖動，時鐘、PLL抖動等測試和分析；

3、雷達的脈內初始相位測試；

4、雷達信號的矢量分析；

5、雷達接收機I/Q通道一致性測試；

6、雷達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採樣率），2GHz～7 GHz帶寬（20GSa/s採樣率），10GHz～13GHz帶寬（40GSa/s採樣率）多種選擇。結合89601矢量信號分析軟體，分析帶寬最高達到13GHz，成為名副其實的寬帶雷達分析儀。

89601本是用在安捷倫89600系列矢量信號分析儀的分析軟體，現在也可以直接裝在Infiniium示波器內部，結合Infiniium示波器的硬體，進行矢量信號、瞬變信號的分析，把Infinium示波器從時域測試，擴展到頻域，解調域，甚至碼域的測試和分析。圖2是89601結合Infiniium示波器組成的寬帶雷達分析儀的數據處理結構。

圖2：寬帶雷達分析儀的數據處理結構

信號通過電纜或示波器的探頭（使用示波器探頭可以進行在線測試）進入示波器，在示波器內部會先通過衰減器和前置放大器，然後信號被耦合到ADC進行數位化，數位化的波形可以直接進行顯示，或通過I/Q轉換和數字濾波變成I與Q信號（可以直接顯示I與Q信號）；再把時域的數據進行FFT變換得到頻域數據；時域的數據進行解調處理即可進行解調分析，比如顯示星座圖，或顯示碼域數據等。由圖可見，寬帶雷達分析儀實際上是一個硬體與軟體結合的數據採集和數據處理過程，因為ADC有足夠高的實時採樣速率（高達40GSa/s），所以寬帶雷達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學函數編輯，更加強了對矢量信號和雷達信號的分析功能。自定義數學函數包括：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，而且函數對象可以是不同種類的Trace Data蹤跡數據或data register數據寄存器數據。函數之間運算包括：+、-、x、/（加減乘除）。這樣我們可以對捕獲的信號進行各種複雜的數位訊號處理運算而不需要把測試結果導出89601，利用其他軟體如Matlab等來處理。

線性調頻雷達矢量分析

線性調頻LFM是最常見的脈衝壓縮技術之一。圖3左邊部分是LFM脈衝壓縮原理，右邊部分是Chirp雷達信號的總體狀況窗口。

圖3：線性調頻LFM脈衝壓縮技術和Chirp雷達信號的總體狀況窗口

如圖3左邊部分所示，脈衝寬度為PW，脈內線性調頻的雷達信號經過脈衝壓縮濾波器後，脈衝寬帶被壓縮為PW_comp，脈衝壓縮比為：

(1)

同時有時間旁瓣電平SLL出現，SLL是脈衝壓縮的品質尺度。

脈衝壓縮濾波器是關聯濾波器，在89601裡，可以通過Math函數功能實現，因而就容易直接測試和分析雷達發射機發射的LFM脈衝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分析儀顯示Chirp雷達信號的總體狀況：包括頻譜，脈衝包絡，星座圖，FM特性等，可以使用Marker功能測試線性調頻LFM的帶寬，對稱度和線性度等。

為了測試SLL，我們使用89601的自定義數學函數功能編輯測試值與理想值之間的頻域關聯函數，用此函數來仿真雷達接收機的脈衝壓縮濾波器。

而Ideal是存在Data Register D1中的理想LFM波形數據。

window是執行FFT變換的窗口函數，這兒用Hanning漢寧窗口。在窗口中給出了輸入到Math中的表達式。

然後用Matlab來建立理想LFM波形數據，長度與被測波形數據一樣長：

（3）

採樣間隔（或採樣率）與測量時同樣的採樣間隔（或採樣率）：

（4）

SS89601為採樣間隔（Sample Spacing），SR89601為採樣率（Sample Rate），Span為掃寬。

然後，參考幫助中的「Creating A Recording Using an ASCII Editor」增加文件格式頭。產生的文件如下表所示，並把產生的文件導入到89601裡的Data Register D1中。

表1：用Matlab產生的理想LFM波形數據

這樣，我們就得出如圖4中的測試結果，得出SLL具體數值，同時得出理想的SLL具體數值，也可以查看理想的FM和測試的FM情況。

圖4：線性調頻Chirp雷達的SLL測試

那麼如何具體測量Chirp誤差呢？

（5）

在89601裡，這可以表達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。

對於FM誤差，我們可以使用時間上的群延遲函數進行直接測量：

對於相位誤差測量，可以調整觸發延遲，去除時間偏置引起的相位偏置。圖5即為如此處理後的Chirp誤差測量結果。

圖5：Chirp雷達LFM誤差測試結果

巴克碼雷達矢量分析

巴克碼調製也是最常見的脈衝壓縮技術之一。圖6中左邊部分是巴克碼脈衝壓縮的示意圖，右邊部分是巴克碼雷達信號的總體查看。

圖6：巴克碼脈衝壓縮技術和巴克碼雷達信號的總體查看

如圖6左邊部分所示，巴克碼是二進位相位編碼，經過脈衝壓縮濾波器或關聯濾波器後：

峰值旁瓣<=幅值的1/N （其中N是巴克碼的長度）

旁瓣電平SLL是其品質尺度，容易用89601中的數學函數功能來實現SLL的測量。

如圖6右邊部分所示，BPSK時域波形與常值包絡相似（圖的上部），同時具有0度或180度的相位轉換（圖的中部）。我們可以直接測試脈衝內的相位轉換特性來分析巴克碼調製的結果。

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

（6）

打開89601的數字解調器後，89601可以直接測試調製品質，或EVM（矢量幅度誤差）。89601的數字解調器有非常強大的功能，能夠直接鎖定載波和符號數據，能夠解出具體的符號數據，能夠得出理想的調製特性等等。打開數字解調器後，可以顯示如圖7所示的各種波形，得出EVM測試結果。

圖7：打開89601數字解調器後，直接測試巴克碼調製品質EVM

我們可以使用Math自定義數學函數功能來進行SLL測試。在Math裡進行關聯處理。

（7）

其中，理想IQ波形ref(t)已經由89601的數字解調器得出來，我們就不需要再用Matlab等工具編輯產生了。conj是共軛函數。在Math裡，輸入具體關聯函數如下：

得出SLL的測量結果如圖8所示，得出SLL為－24dB。

圖8：巴克碼雷達SLL測量結果

總結

從上面的兩種典型脈衝壓縮雷達信號測量分析中，我們可以看出Infiniium矢量示波器或寬帶雷達分析儀能夠進行雷達信號的矢量分析。

89601本身已經有各種功能進行雷達信號的測量和分析，比如：頻譜，相位，I/Q星座圖等，如果打開數字解調器功能，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的自定義數學函數功能，可以把89601的功能擴展，比如做誤差分析，SLL分析等。

Infiniium矢量示波器或寬帶雷達分析儀因為利用了實時示波器的捕獲和採集功能，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，在不影響系統的運行條件下進行在線測量和分析。