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利用頻譜分析儀加速脈沖信號(hào)分析
2015-08-08
考察脈沖信號(hào)
脈沖信號(hào)包含了很多跨越廣泛頻率范圍的頻譜線(圖1)。結(jié)果可有三種顯示方式，這有賴于脈沖和分辨帶寬(RBW)等參數(shù)。如果RBW小于頻譜線間距，改變它不會(huì)改變其測(cè)量水平。帶寬窄于包絡(luò)中第一個(gè)無(wú)效間距(1/脈沖寬度)就可以顯示包絡(luò)頻譜。最后，如果帶寬寬于無(wú)效間距，帶寬內(nèi)的整個(gè)頻譜下降，這意味著該信號(hào)的頻譜無(wú)法顯示。隨著帶寬的進(jìn)一步增加，響應(yīng)接近脈沖的時(shí)域函數(shù)。依靠脈沖參數(shù)，還可以計(jì)算出脈沖降敏因子，這減少了頻譜分析儀脈沖帶寬內(nèi)的測(cè)量水平。在這種情況下，標(biāo)記讀數(shù)加上降敏因子等于峰值功率。
RBW值對(duì)脈沖信號(hào)的測(cè)量很重要，這是因?yàn)樵跍y(cè)量水平上RBW的改變產(chǎn)生變化。脈沖降敏因子取決于脈沖參數(shù)和RBW，如果帶寬大于頻譜線的間距，所測(cè)得的幅度依賴于帶寬和總信號(hào)帶寬內(nèi)的頻譜線數(shù)目。儀器中的濾波器形狀決定著RBW校正因子，這是因?yàn)閹挼男螤罘从沉藶V波器帶寬內(nèi)的功率。如果RBW太寬，頻譜線或包絡(luò)頻譜變成時(shí)域譜，并且RBW濾波器的脈沖響應(yīng)變得很明顯。
在時(shí)域使用頻譜分析儀，就有可能獲得脈沖寬度的直接測(cè)量。峰值標(biāo)記允許峰值功率的測(cè)量，而增量標(biāo)記允許參數(shù)的測(cè)量，例如上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈沖重復(fù)間隔及過(guò)沖。通過(guò)寬RBW和視頻帶寬(VBW)，頻譜分析儀可以追蹤射頻脈沖的包絡(luò)，以便可以看到脈沖的沖擊響應(yīng)。最高RBW/VBW限制了頻譜分析儀測(cè)量窄脈沖的能力，并且通用規(guī)則長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為最短的脈沖是可測(cè)的，其脈沖寬度應(yīng)大于或等于2/RBW 。
雷達(dá)系統(tǒng)通常在射頻脈沖內(nèi)采用調(diào)制。了解這種調(diào)制的功率特性很重要，這是因?yàn)槔走_(dá)范圍受到脈沖內(nèi)可獲得功率的限制。反過(guò)來(lái)說(shuō)，更長(zhǎng)的脈沖長(zhǎng)度將導(dǎo)致有限的分辨率。調(diào)制制式可能的范圍從簡(jiǎn)單的FM(調(diào)頻)到復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制制式，其可以支持現(xiàn)代頻譜分析儀。頻譜分析儀也可以測(cè)量傳統(tǒng)的模擬調(diào)制脈沖(AM、FM、相位調(diào)制) 。此外，其還可以執(zhí)行分析功能，這涉及許多數(shù)字調(diào)制制式的解調(diào)制，如射頻脈沖內(nèi)的巴克碼BPSK調(diào)制、脈沖到脈沖的相位測(cè)量等。
脈沖功率測(cè)量和探測(cè)器
在雷達(dá)發(fā)射機(jī)中，測(cè)試輸出功率是一個(gè)重要的測(cè)量，并且可以采用幾種不同類型的測(cè)量。平均功率通常采用功率計(jì)作為均值功率測(cè)量。另一個(gè)重要的值是峰值功率，且如果脈沖重復(fù)頻率(PRF)和脈沖寬度已知，就可以計(jì)算出所測(cè)到的平均功率。
在頻譜分析儀上采用光柵掃描CRT顯示器(或LCD)來(lái)顯示時(shí)域信號(hào)波形。這些顯示器中的象素?cái)?shù)目，在振幅軸以及在時(shí)間(或頻率)軸是有限的。這導(dǎo)致幅度和頻率或時(shí)間的有限分辨率。為了顯示掃描到的全部測(cè)量數(shù)據(jù)，探測(cè)器被用來(lái)將數(shù)據(jù)采樣壓縮到顯示像素許可的數(shù)量。
對(duì)于峰值功率的測(cè)量，頻譜分析儀具有峰值檢測(cè)器，其可以顯示某個(gè)給定測(cè)量區(qū)間內(nèi)的最高功率峰值。然而，對(duì)于調(diào)幅信號(hào)的平均功耗測(cè)量，如脈沖調(diào)制信號(hào)，頻譜分析儀中的峰值探測(cè)器是不適合的，這是因?yàn)榉逯惦妷号c信號(hào)功率無(wú)關(guān)。然而，這些儀器也提供了抽樣探測(cè)器或rms探測(cè)器。
抽樣探測(cè)器每個(gè)測(cè)量點(diǎn)檢查包絡(luò)電壓一次，并顯示結(jié)果，但這可能引起信號(hào)信息的總損耗，這是因?yàn)榭稍谄聊粁軸上獲得的像素?cái)?shù)量是有限的。rms探測(cè)器在ADC的全采樣率下采樣包絡(luò)信號(hào)，并且單個(gè)像素范圍內(nèi)的所有采樣被用于rms功率的計(jì)算。因此，rns探測(cè)器顯示了比抽樣檢測(cè)器更多的測(cè)量樣本。
通過(guò)將功率計(jì)算公式用于所有樣本，每個(gè)像素都代表了rms探測(cè)器測(cè)量的頻譜功率。對(duì)于高重復(fù)性，可以通過(guò)掃描時(shí)間來(lái)控制每個(gè)象素的樣本數(shù)量。越長(zhǎng)的掃描時(shí)間，時(shí)間間隔上每個(gè)像素的功率積分也隨之增加。在脈沖信號(hào)下，可重復(fù)性依賴于像素內(nèi)的脈沖數(shù)量。對(duì)平滑部分，穩(wěn)定的rms追蹤結(jié)果，掃描時(shí)間必須設(shè)為足夠長(zhǎng)的值，以便在一個(gè)像素內(nèi)捕捉幾個(gè)脈沖。rms探測(cè)器計(jì)算所有樣本的rms值，這由屏幕上的一個(gè)單一像素來(lái)線性地代表。
為了精確測(cè)量脈沖調(diào)制信號(hào)的峰值和均值功率，該儀器的IF帶寬和ADC轉(zhuǎn)換器的采樣率必須足夠高，以便其不會(huì)影響脈沖的形狀。例如，羅德與施瓦茨(R&S)公司的FSP頻譜分析儀中可以獲得10MHz分辨帶寬和32MHz采樣率，在脈沖寬度窄至500ns的高精度下測(cè)量脈沖調(diào)制信號(hào)是可能的。
測(cè)試設(shè)備實(shí)例
對(duì)本文中的測(cè)量例子，R&S SMU信號(hào)發(fā)生器被用于創(chuàng)建模擬雷達(dá)信號(hào)，并且輸出信號(hào)是AM調(diào)制射頻載波。利用任意波形發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生寬帶AM調(diào)制，以創(chuàng)建一個(gè)具有500 ns脈沖寬度和1kHz PRF的脈沖序列。脈沖水平隨時(shí)間變化，來(lái)模擬長(zhǎng)期平均功率測(cè)量的天線旋轉(zhuǎn)效果。
對(duì)于測(cè)量峰值功率，頻譜分析儀必須設(shè)為足夠?qū)挼腞BW和VBW以便在脈沖寬度內(nèi)穩(wěn)定。在這種測(cè)量中，RBW和VBW設(shè)為10MHz。頻譜分析儀設(shè)到零跨度，并顯示功率隨時(shí)間的變化。掃描時(shí)間設(shè)為允許探測(cè)單一脈沖的值。頻譜分析儀采用視頻觸發(fā)來(lái)顯示穩(wěn)定的脈沖形狀顯示。脈沖寬度被改變，并且采用100ns、200ns和500ns的脈沖寬度來(lái)繪制三個(gè)測(cè)量結(jié)果，從而研究分辨濾波器穩(wěn)定時(shí)間帶來(lái)的影響。
藍(lán)色虛線是采用500 ns脈沖寬度測(cè)量的，并在脈沖頂部顯示出一個(gè)平坦響應(yīng)。綠色虛線是采用200 ns脈沖寬度測(cè)量的。此值等于計(jì)算得到的穩(wěn)定時(shí)間。該測(cè)量中的峰值水平剛剛達(dá)到500 ns脈沖的實(shí)測(cè)值。標(biāo)記1(T2)被設(shè)為峰值，顯示為9.97dBm。該脈沖寬度是10MHz分辨帶寬下可以準(zhǔn)確測(cè)量的最小值。紅色實(shí)線是采用100ns脈沖寬度測(cè)得的，其短于分解濾波器的穩(wěn)定時(shí)間。在該圖中，增量標(biāo)記讀數(shù)“Delta 2 (T3)”設(shè)定為峰值，并顯示出對(duì)歸一化脈沖水平大約3dB的損耗。
下一步就是脈沖寬度的測(cè)量，這通常被定義為信號(hào)水平在通過(guò)其脈沖長(zhǎng)度平均電壓50%的點(diǎn)(圖3)。在通常用于頻譜分析儀的對(duì)數(shù)級(jí)網(wǎng)格中，該點(diǎn)低于峰值水平6dB。對(duì)于脈沖寬度測(cè)量，標(biāo)記設(shè)為在上升沿低于平均脈沖功率6dB，并且增量標(biāo)記被放在脈沖下降沿低于平均功率6dB的點(diǎn)。
在這種情況下的增量標(biāo)記水平讀數(shù)應(yīng)為0dB。由于有限的測(cè)量點(diǎn)分辨率，小的水平差異也必須予以接受。在這種測(cè)量中，增量標(biāo)記讀數(shù)“Delta 2 (T1)”顯示出508 ns的脈沖寬度。該測(cè)量精度受到ADC轉(zhuǎn)換器采樣率的影響，其定義了軌跡內(nèi)的位置，在該處可以獲得實(shí)測(cè)值。在這些點(diǎn)之間，這些軌跡數(shù)據(jù)通過(guò)插值來(lái)生成軌跡的顯示點(diǎn)。ADC轉(zhuǎn)換器的采樣率是32MHz，從而導(dǎo)致測(cè)量采樣間隔為31.25ns。
雷達(dá)發(fā)射機(jī)的輸出信號(hào)脈沖調(diào)制分布在廣泛的帶寬內(nèi)，其可以視為著名的(sin (x))/x頻譜形狀的頻譜分析儀。單個(gè)譜線不容許直接計(jì)算峰值或平均功率。不了解如脈沖寬度或PRF等調(diào)制參數(shù)，功率的計(jì)算是不可能的。對(duì)于信道功率測(cè)量，最現(xiàn)代的頻譜分析儀提供給定信道內(nèi)功率的計(jì)算軟件程序。通過(guò)整合功率，這些程序計(jì)算出功率，這些功率由信道帶寬頻率范圍內(nèi)所顯示的軌跡像素來(lái)代表。
測(cè)量平均功率需要rms探測(cè)器。當(dāng)評(píng)價(jià)雷達(dá)信號(hào)時(shí)，在幾個(gè)旁瓣上積分允許計(jì)算平均功率，這是因?yàn)榇蟛糠帜芰勘话?sin (x))/x頻譜的主瓣和鄰近的旁瓣內(nèi)。通過(guò)采用足夠?qū)挼男诺缼拋?lái)捕獲信號(hào)的主瓣和幾個(gè)旁瓣，可以測(cè)量平均功率。
信道功率測(cè)量的測(cè)量結(jié)果。該信道帶寬被設(shè)為10MHz，來(lái)捕捉主瓣和相鄰的旁瓣。50MHz信道帶寬同樣的測(cè)量捕獲了多于每邊10個(gè)旁瓣(圖5)。-23.01dBm信道功率的測(cè)量結(jié)果適合計(jì)算脈沖信號(hào)的平均功率。即使10MHz的測(cè)量也顯示出與目標(biāo)值良好的一致性，這是因?yàn)榇蟛糠值墓β始性谥靼旰偷谝幌噜彽呐园?。這一測(cè)量平均功率的方法，脈沖調(diào)制參數(shù)的知識(shí)是不必要的，并且具有不斷變化的脈沖參數(shù)的脈沖信號(hào)是可用的。
頻譜分析儀助力設(shè)計(jì)師
現(xiàn)代頻譜分析儀非常適合于各種用于雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖信號(hào)的功率測(cè)量。然而，脈沖和調(diào)制脈沖信號(hào)的獨(dú)特性能使得了解如何有效利用頻譜分析儀的特點(diǎn)變得重要。具有這方面的知識(shí)，這些儀器能夠提供脈沖信號(hào)特性的完整圖像，其可以幫助設(shè)計(jì)師優(yōu)化雷達(dá)系統(tǒng)的性能。
頻譜測(cè)試分析儀產(chǎn)品鏈接：http://rengken.cn/product/Spectrum-Analyzer/
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