Демодуляция радиолокационных ВЧ-импульсов с помощью осциллографа

Измерительная задача

Вам необходимо измерить параметры радиолокационных радиоимпульсов (частоту, тип модуляции (линейная вверх/вниз, экспоненциальная, фазовая), скорость изменения частоты, модуляционную последовательность, период повторения импульсов (PRI) и амплитуду), чтобы оценить, соответствуют ли они заданным требованиям ¹⁾. Таким образом, чтобы обеспечить правильное расположение импульса для измерения, потребуется выполнять воспроизводимый запуск по импульсу. После запуска можно осуществить демодуляцию импульсов, которые модулированы по частоте или по фазе.
¹⁾Richards, Mark (2013): Fundamentals of Radar Signal Processing (Основы обработки радиолокационных сигналов). 2. Edition: McGraw-Hill Companies

Решение компании Rohde & Schwarz

Осциллографы R&S®RTO и R&S®RTP способны анализировать радиоимпульсы с частотами до 6 ГГц/8 ГГц. Наиболее важной функцией для анализа импульсов является цифровой запуск (синхронизация). По сравнению с аналоговым запуском, цифровой запуск имеет гораздо лучшую чувствительность и не ограничен полосой пропускания для расширенных типов запуска. Для анализа радиоимпульса необходимо, чтобы запуск выполнялся всегда в одной и той же точке относительно импульса. В качестве примера рассмотрим последовательность импульсов с длительностью импульса 25 мкс и периодом PRI 50 мкс (см. приведенный ниже снимок экрана). В увеличенном масштабе показан третий импульс в позиции запуска (t = 0 с).

Для этой выборки данных используется запуск по длительности импульса. Настройка запуска (Запуск по радиолокационным ВЧ-импульсам с помощью осциллографа — Рекомендации по применению, PD 3609.2000.92 Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG) и анализ огибающей (Анализ радиолокационных ВЧ-импульсов с помощью осциллографа — Рекомендации по применению, PD 5215.4781.92, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG) описаны в отдельных документах. По горизонтали установлен масштаб 14 мкс/дел, так что для анализа модуляционной последовательности захватываются три импульса.

Теперь импульс демодулируется. Последовательность импульсов в примере модулирована по частоте, она демодулируется с помощью одной из автоматизированных функций измерения частоты осциллографа. При использовании этого измерения совместно с функцией отслеживания результаты измерения частоты отображаются в виде временной зависимости. Такой подход хорошо работает для широкополосных радиолокационных сигналов, встречающихся, например, в автомобильных РЛС. Для узкополосных сигналов, например, РЛС-сигналов службы управления воздушным движением (УВД), в которых несущая частота значительно больше занимаемой полосы частот (f_C >> f_B), функция отслеживания довольно сильно зашумлена. Этот шум ограничивает точность измерения скорости изменения частоты и требует дополнительного снижения.

Понизить уровень шума данного сигнала непросто. Простой полосовой фильтр не может быть использован из-за изменения несущей частоты. Полоса пропускания фильтра должна быть достаточно большой. В обычной когерентной радиолокационной системе тракты приема RX и передачи TX используют общий стабилизированный гетеродин. Для осциллографа понижающее преобразование частоты с помощью гетеродина TX невозможно, поскольку этот сигнал недоступен. Другой подход состоит в использовании системы автоматической фазовой подстройки частоты (ФАПЧ) ¹⁾ для демодуляции сигнала.
¹⁾Richards, Mark (2013): Fundamentals of Radar Signal Processing (Основы обработки радиолокационных сигналов). 2. Edition: McGraw-Hill Companies

В осциллографах R&S®RTO и R&S®RTP реализовано программное восстановление тактовой частоты (CDR), которое эквивалентно ФАПЧ. При использовании автоматизированной функции измерения скорость передачи данных по существу измеряет мгновенную частоту импульса. Когда функция отслеживания скорости передачи данных включена, отображается зависимость мгновенной частоты от времени (см. Track 2 справа на первом снимке экрана). Из-за использования функции скорости передачи данных для единиц измерения отображаемого трека по вертикали используются гигабиты в секунду (Гбит/с), что эквивалентно частоте в ГГц, так как битовый период и период синуса одинаковы.

На диаграмме 1 (верхняя часть первого снимка экрана) показана модуляционная последовательность ЛЧМ-сигналов с изменением частоты «вниз-вверх-вниз» в последовательности из трех импульсов. Для выполнения более подробного анализа (для измерения частоты ЛЧМ-сигнала) можно использовать на треке курсор в окне масштабирования. С его помощью измеряется изменение частоты импульса во времени. Для данного примера окно результатов курсора 1 (нижний правый угол экрана на предыдущей странице) показывает изменение на 10 МГц за 25 мкс для ЛЧМ-сигнала с уменьшением частоты.

Функция скорости передачи данных требует настройки функции CDR. На приведенном выше снимке экрана показано меню CDR, в котором для алгоритма задано использование ФАПЧ (PLL), а в качестве фронтов сигнала данных установлены положительные перепады. Задайте второй порядок системы ФАПЧ, так как только ФАПЧ второго порядка будет отображать правильный временной трек частоты 1) относительно скорости передачи данных. Оценка битовой скорости установит для номинальной битовой скорости ожидаемое значение.

Коэффициент демпфирования и настройки синхронизации не требуют изменений. Для измерения важна только полоса пропускания. Полоса пропускания ФАПЧ позволяет достичь компромисса между видимым шумом и временем установления исходного импульса. Большая полоса пропускания обеспечивает быстрое установление, но не будет эффективно ослаблять шум, тогда как малая полоса пропускания эффективно ослабляет шум на треке, но требует больше времени для установления. При отображаемом значении полосы ФАПЧ 3,8 МГц шум на треке практически не виден, а влияние процессов установления минимально, что повышает точность измерения скорости изменения частоты ЛЧМ-сигнала.

Заключение

Осциллографы R&S®RTO и R&S®RTP выполняют анализ радиоимпульсов с максимальной полосой пропускания используемой модели. Для осуществления детального анализа в осциллографах R&S®RTO и R&S®RTP предусмотрен высокоточный запуск по импульсу. Стабилизированная захваченная осциллограмма может быть демодулирована для проведения анализа важнейших характеристик, таких как модуляционная последовательность и скорость изменения частоты. Осциллографы R&S®RTO и R&S®RTP также способны точно определять характеристики огибающей импульса (Анализ радиолокационных ВЧ-импульсов с помощью осциллографа — Рекомендации по применению, PD 5215.4781.92, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG).