Demodulação de pulsos de RF de radar com um osciloscópio

A análise de pulsos de RF é um aspecto fundamental das aplicações do radar pulsado, por exemplo, no controle de tráfego aéreo (ATC), radar marítimo ou medições científicas da ionosfera. Analisar a modulação do pulso é essencial porque ela contém informações importantes para caracterizar a aplicação. Os osciloscópios R&S®RTO e R&S®RTP podem disparar e analisar com precisão os pulsos de RF. Este documento descreve o uso do R&S®RTO e do R&S®RTP para demodular pulsos de RF a fim de aprofundar as medições.

Sua tarefa

Você tem que medir a frequência, o tipo de modulação (para cima/para baixo linear, exponencial, fase), a taxa de chilro, 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

Sequência com diversos pulsos de RF
Sequência com diversos pulsos de RF

A solução da Rohde & Schwarz

Os osciloscópios R&S®RTO e R&S®RTP podem analisar pulsos de RF com frequências de até 6 /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 usado 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 usado. 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 - fichas 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 pulso 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 (fC >> fB), a função de monitoramento parecerá bastante barulhenta. Esse ruído limita a precisão da medição de taxa de chilro e exige redução adicional de ruídos.

A redução de ruídos do sinal não é simples. Um simples filtro passa-banda não pode ser usado 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 RX e TX compartilham um oscilador local estabilizado. Para um osciloscópio, a conversão descendente com o oscilador TX local é impossível porque esse sinal está indisponível. Utilizar um Phase Locked Loop (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 PLL. Com o uso da função de medição automatizada, a taxa de dados mede essencialmente a frequência instantânea do pulso. Quando a função de monitoramento da taxa de dados 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 chilros "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 usado para medir a taxa de chilro. Ele mede a alteração de frequência do pulso com o passar do tempo. Neste exemplo, os Resultados de cursor 1 (canto inferior direito da primeira captura de tela) mostram 10 MHz em 25 μs para o chilro down.

Configuração de CDR para demodular o chilro de RF
Configuração de CDR para demodular o chilro de RF

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 PLL e as margens de dados são definidas como positivas. Defina a ordem do PLL como segunda ordem visto que somente um PLL de segunda ordem exibirá o monitoramento de tempo correto da frequência 1) em relação à velocidade de transmissão. A estimativa da taxa de bit definirá a taxa de bit 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 PLL 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 PLL 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 chilro.

Resumo

Os osciloscópios R&S®RTO e R&S®RTP analisam os pulsos de RF para a largura de banda máxima do modelo usado. 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 velocidade de transmissão. 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).