Demodulação de pulsos de RF de radar com um osciloscópio

Sua tarefa

Você tem que medir a frequência, o tipo de modulação (para cima/para baixo linear, exponencial, fase), a taxa de chirps, a sequência de modulação, o intervalo de repetição de pulso (PRI) e a amplitude dos pulsos de RF de radar para julgar se eles atendem aos seus requisitos ¹⁾. Portanto, você precisa disparar um pulso de uma maneira reproduzível a fim de posicioná-lo corretamente para as medições. Depois do disparo, você poderá demodular os pulsos modulados por frequência ou por fase.
¹⁾ Richard, Mark (2013): Fundamentals of Radar Signal Processing. 2. Edição: McGraw-Hill Companies

A solução da Rohde & Schwarz

Os osciloscópios R&S®RTO e R&S®RTP podem analisar pulsos de RF com frequências de até 6 GHz/8 GHz. O recurso mais importante para análise de pulso é o disparo digital. Em comparação com o analógico, o disparo digital apresenta uma sensibilidade muito melhor e não tem limitação de largura de banda para o tipo de disparo avançado. Para analisar o pulso de RF, o disparo precisa sempre aparecer na mesma posição relativa ao pulso. Como um exemplo, o trem de impulsos é utilizado com uma duração de pulso de 25 μs e um PRI de 50 μs (veja a captura de tela abaixo). Uma aproximação mostra o terceiro pulso com mais detalhes na posição de disparo (t = 0 s).

Para essa aquisição, um disparo de largura é utilizado. A configuração de disparo (Trigger on radar RF pulses with an oscilloscope - ficha de aplicação, PD 3609.2000.92 Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG) e a análise de envelope (Analyzing RF radar pulses with an oscilloscope - ficha de aplicação, PD 5215.4781.92, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG) estão descritas em documentos separados. A escala horizontal é dividida como 14 μs/div para que três pulsos sejam capturados para analisar a sequência de modulação.

Agora, o pulso é demodulado. O trem de impulsos de exemplo é modulado por frequência e demodulado usando uma das medições automáticas de frequência do osciloscópio. O uso dessa medição com o recurso de monitoramento faz com que os resultados de frequência sejam exibidos como uma função de tempo. Essa abordagem funciona bem com sinais de radar de banda larga, como radares automotivos. No caso de sinais de radar de banda estreita, como radares de ATC, em que a frequência da operadora é grande em relação à largura de banda ocupada (f_C >> f_B), a função de monitoramento parecerá bastante barulhenta. Esse ruído limita a precisão da medição de taxa de chirps e exige redução adicional de ruídos.

A redução de ruídos do sinal não é simples. Um simples filtro passa-banda não pode ser utilizado por causa das alterações na frequência da operadora. A largura de banda do filtro precisa ser bem grande. Em um sistema de radar convencional e coerente, os caminhos de receptor e transmissor compartilham um oscilador local estabilizado. Para um osciloscópio, a conversão descendente com o oscilador transmissor local é impossível porque esse sinal está indisponível. Utilizar um anel de bloqueamento de fase (PLL) ¹⁾ para demodular o sinal é outra abordagem.
¹⁾ Richard, Mark (2013): Fundamentals of Radar Signal Processing. 2. Edição: McGraw-Hill Companies

Os osciloscópios R&S®RTO e R&S®RTP têm uma recuperação de dados de clock (CDR) com base em software que é equivalente a um anel de bloqueamento de fase. Com o uso da função de medição automatizada, a velocidade de transmissão mede essencialmente a frequência instantânea do pulso. Quando a função de monitoramento da velocidade de transmissão é ativada, a frequência instantânea é exibida com o tempo (consulte Monitoramento 2, na lateral direita da primeira captura de tela). Devido ao uso da função de velocidade de transmissão, a unidade vertical do monitoramento exibido é Gigabit por segundo (Gbps), que é equivalente à unidade GHz, pois o período de bit e o de seno são os mesmos.

O diagrama 1 (seção superior da primeira captura de tela) mostra a sequência de modulação de chirps "down-updown" no trem de impulsos de três pulsos. Para uma análise mais detalhada, o cursor no monitoramento, localizado na janela de aproximação (zoom), pode ser utilizado para medir a taxa de chirps. Ele mede a alteração de frequência do pulso com o passar do tempo. Neste exemplo, o cursor Results 1 (canto inferior direito da primeira captura de tela) mostra 10 MHz em 25 μs para o chirp down.

A função de velocidade de transmissão exige a configuração de CDR. A captura de tela acima mostra o menu CDR, no qual o algoritmo é definido como anel de bloqueamento de fase e as margens de dados são definidas como positivas. Defina a ordem do anel de bloqueamento de fase como segunda ordem visto que somente um anel de bloqueamento de fase de segunda ordem exibirá o monitoramento de tempo correto da frequência 1) em relação à velocidade de transmissão. A estimativa da taxa de bits definirá a taxa de bits nominal com o valor esperado.

O fator de atenuação e as configurações de sincronização não precisam ser modificados. A largura de banda é importante somente para a medição. A largura de banda de anel de bloqueamento de fase permite uma troca entre o ruído visível e o tempo de estabilização para o pulso inicial. Uma largura de banda grande se estabilizará de forma mais rápida, mas não atenuará o ruído com eficiência. Por outro lado, uma largura de banda pequena atenuará eficientemente o ruído no monitoramento, porém demorará mais para se estabilizar. Com a configuração exibida de largura de banda de anel de bloqueamento de fase de 3,8 MHz, o ruído é praticamente invisível no monitoramento e o efeito de estabilização é mínimo, o que aprimora a precisão da medição da taxa de chirps.

Resumo

Os osciloscópios R&S®RTO e R&S®RTP analisam os pulsos de RF para a largura de banda máxima do modelo utilizado. Para realizar uma análise detalhada, o R&S®RTO e o R&S®RTP disparam o pulso com precisão. A forma de onda estável capturada pode ser demodulada para analisar características importantes, tais como a sequência de modulação e a taxa de chirps. O R&S®RTO e o R&S®RTP também podem caracterizar com precisão o envelope de pulso (Analisando pulsos de radar RF com um osciloscópio - ficha de aplicação, PD 5215.4781.92, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG).