Demodulieren von Radar-HF-Pulsen mit einem Oszilloskop

Die Analyse von HF-Pulsen ist ein entscheidender Aspekt bei Applikationen mit gepulstem Radar, z. B. bei der Flugsicherung (ATC), bei Schiffsradaren oder wissenschaftlichen Messungen der Ionosphäre. Es ist wichtig, die Pulsmodulation im Zeitbereich zu analysieren, da sie wichtige Informationen für die Charakterisierung der Applikation enthält. Die R&S®RTO und R&S®RTP Oszilloskope können präzise auf HF-Pulse triggern und diese analysieren. Dieses Dokument beschreibt die Verwendung des R&S®RTO und R&S®RTP zur Demodulation von HF-Pulsen für weitere Messungen.

Ihre Anforderung

Um beurteilen zu können, ob Ihre Anforderungen erfüllt sind, müssen Sie Radar-HF-Pulse auf deren Frequenz, Modulationstyp (linear steigend/fallend, exponentiell, Phase), Chirp-Rate, Modulationssequenz, Pulswiederholzeit (Pulse Repetition Interval, PRI) und Amplitude analysieren 1). Sie müssen daher in reproduzierbarer Weise auf einen Puls triggern, um den Puls für die Messungen korrekt zu positionieren. Nach dem Triggern können Sie die Pulse, die entweder frequenz- oder phasenmoduliert sind, demodulieren.
1) Richard, Mark (2013): Fundamentals of Radar Signal Processing. 2. Auflage: McGraw-Hill Companies

Sequenz mit mehreren HF-Pulsen
Sequenz mit mehreren HF-Pulsen
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Lösung von Rohde & Schwarz

R&S®RTO und R&S®RTP Oszilloskope können HF-Pulse mit Frequenzen bis 6 GHz/8 GHz analysieren. Die wichtigste Funktion für die Pulsanalyse ist der digitale Trigger. Im Vergleich zu einem analogen Trigger bietet der digitale Trigger eine wesentlich bessere Trigger-Empfindlichkeit und kommt bei erweiterten Triggerarten ohne Bandbreitenbegrenzung aus. Zur Analyse des HF-Pulses muss der Trigger relativ zum Puls immer an der gleichen Position erscheinen. Als ein Beispiel wird eine Pulsfolge mit einer Pulsdauer von 25 μs und einer PRI von 50 μs (siehe Screenshot unten) verwendet. Ein Zoom-Fenster zeigt den dritten Puls an der Trigger-Position (t = 0 s) in größerem Detail.

Für diese Erfassung wird ein Breitentrigger verwendet. Die Trigger-Konfiguration (Triggern auf Radar-HF-Pulse mit einem Oszilloskop – Application Card, PD 3609.2000.92 Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG) und Hüllkurvenanalyse (Analyse von HF-Radarpulsen mit einem Oszilloskop – Application Card, PD 5215.4781.92, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG) werden in separaten Dokumenten beschrieben. Die horizontale Skala ist auf 14 μs/div eingestellt, sodass drei Impulse für die Analyse der Modulationssequenz erfasst werden.

Nun wird der Puls demoduliert. Die Pulsfolge, die als Beispiel dient, ist frequenzmoduliert und wird mittels einer der automatisierten Frequenzmessungen des Oszilloskops demoduliert. Mit Hilfe dieser Messung in Verbindung mit der Track-Funktion können die Frequenzergebnisse als eine Funktion der Zeit angezeigt werden. Diese Vorgehensweise eignet sich gut für Breitband-Radarsignale wie die Signale von Automotive-Radaren. Bei schmalbandigen Signalen wie z. B. Flugsicherungsradaren, bei denen die Trägerfrequenz im Verhältnis zur belegten Bandbreite (fC >> fB) groß ist, zeigt die Track-Funktion starkes Rauschen. Dieses Rauschen schränkt die Genauigkeit der Chirp-Raten-Messung ein und macht Maßnahmen zur Rauschunterdrückung notwendig.

Die Reduzierung des Rauschens ist nicht ganz einfach. Ein schlichter Bandpassfilter kommt aufgrund der sich ändernden Trägerfrequenz nicht in Frage. Die Filterbandbreite muss recht groß sein. In einem konventionellen, kohärenten Radarsystem teilen sich die RX- und TX-Pfade einen stabilisierten Lokaloszillator. Bei einem Oszilloskop ist eine Abwärtsmischung mit dem lokalen TX-Oszillator nicht möglich, da dieses Signal nicht verfügbar ist. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines Phasenregelkreises (PLL) 1) zur Demodulation des Signals.
1) Richard, Mark (2013): Fundamentals of Radar Signal Processing. 2. Auflage: McGraw-Hill Companies

Das R&S®RTO und R&S®RTP Oszilloskop bieten eine softwarebasierte Taktdatenrückgewinnung (Clock Data Recovery, CDR), die einem Phasenregelkreis gleichwertig ist. Bei der Verwendung dieser automatisierten Messfunktion kann die Datenrate mit der Momentanfrequenz des Pulses gleichgesetzt werden. Wenn die Track-Funktion der Datenrate eingeschaltet ist, wird die Momentanfrequenz über der Zeit angezeigt (siehe „Track 2“ im rechten Bereich des ersten Screenshots). Da die Datenratenfunktion verwendet wird, ist die vertikale Einheit der angezeigten Messkurve Gigabit pro Sekunde (Gbit/s), was zahlenmäßig GHz entspricht, da die Bit-Periode und die Sinus-Periode identisch sind.

Diagramm 1 (oberer Teil des ersten Screenshots) zeigt die Modulationssequenz von Down-Updown-Chirps innerhalb einer Pulsfolge mit drei Impulsen. Für eine detailliertere Analyse kann der Cursor auf der Messkurve im Zoom-Fenster verwendet werden, um die Chirp-Rate zu messen. Auf diese Weise wird die Frequenzänderung des Pulses im Laufe der Zeit ermittelt. Im vorliegenden Beispiel lautet das Ergebnis in den „Cursor Results 1“ (unten rechts im ersten Screenshot) für den negativen Chirp 10 MHz innerhalb von 25 μs.

CDR-Einstellung zur Demodulation des HF-Chirps
CDR-Einstellung zur Demodulation des HF-Chirps
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Für die Datenratenfunktion muss die Taktdatenrückgewinnung konfiguriert werden. Der Screenshot oben zeigt das CDR-Menü, in dem der Algorithmus auf PLL (Phasenregelkreis) und die Datenflanken auf positive Flanken eingestellt sind. Für die PLL-Ordnung ist die zweite Ordnung festzulegen, da nur mit dieser Einstellung die korrekte Zeitspur der Frequenz 1) in Bezug auf die Datenrate angezeigt wird. Durch eine Schätzung der Bitrate wird die nominale Bitrate auf den erwarteten Wert eingestellt.

Der Dämpfungsfaktor und die Synchronisationseinstellungen müssen nicht geändert werden. Die Bandbreite ist nur für die Messung wichtig. Bei der Einstellung der PLL-Bandbreite kommt es darauf an, einen Mittelweg zwischen geringem sichtbaren Rauschen und einer kurzen Einschwingzeit für den Anfangsimpuls zu finden. Eine große Bandbreite führt zu einer kurzen Einschwingzeit, ermöglicht aber keine effiziente Dämpfung des Rauschens. Eine kleine Bandbreite ist im Hinblick auf die Rauschdämpfung der Messkurve vorteilhaft, bewirkt aber eine längere Einschwingzeit. Mit der angezeigten PLL-Bandbreiteneinstellung von 3,8 MHz ist das Rauschen an der Messkurve kaum erkennbar und der Einschwingeffekt ist minimal, wodurch die Genauigkeit der Chirp-Raten-Messung verbessert wird.

Fazit

Die R&S®RTO und R&S®RTP Oszilloskope analysieren HF-Pulse mit der maximalen Bandbreite des verwendeten Modells. Für eine detailliertere Analyse triggern das R&S®RTO und R&S®RTP präzise auf den Puls. Die stabile erfasste Messkurve kann demoduliert werden, um wichtige Eigenschaften wie Modulationssequenz und Chirp-Rate zu analysieren. Das R&S®RTO und R&S®RTP können auch die Pulseinhüllende präzise charakterisieren (Analyse von HF-Radarpulsen mit einem Oszilloskop – Application Card, PD 5215.4781.92, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG).