Mehrkanal-Pulsanalyse auf Basis von erweiterten Triggern zur Charakterisierung von Radarwarnempfängern

Die Phasendifferenz ist der Schlüsselparameter bei der Charakterisierung von Peilerszenarien (Direction Finding, DF). Um Peilausrüstung zu analysieren, muss die Phasendifferenz vor der Messung anderer Parameter wie dem Peilwinkel bestimmt werden. Die R&S®VSE-K6A Software für Mehrkanal-Pulsanalyse ermöglicht in Kombination mit einem Oszilloskop von Rohde & Schwarz Messungen der Phasendifferenz selbst in herausfordernden Umfeldern, indem die erweiterten Trigger-Funktionalitäten des Messgeräts genutzt werden.

Radarwarnempfänger
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Ihre Anforderung

Ein Radarwarnempfänger (Radar Warning Receiver, RWR, siehe Abbildung oben) besteht üblicherweise aus mehreren Empfängern, die gemeinsam ausgewertet werden, um die Richtung eines ankommenden Radarpulses zu bestimmen. Normalerweise steigt die Winkelgenauigkeit der Peilung, je mehr Empfänger kombiniert werden.

Das eingesetzte Peilverfahren kann von der jeweiligen Applikation abhängen; typische Verfahren sind das TDOA-Verfahren (Unterschied der Ankunftszeit) und das korrelative Interferometer. Auf jeden Fall ist für Messungen im Bereich Forschung und Entwicklung ein phasenkohärenter Empfänger erforderlich, um die Phasendifferenz zwischen den Empfängern zu messen. Im Entwicklungsstadium wird die Empfänger-Performance unter Idealbedingungen gemessen und häufig auch in anspruchsvolleren Szenarien.

Lösung von Rohde & Schwarz

Die R&S®RTO und R&S®RTP Oszilloskope sind Zeitbereichs-Messgeräte, deren Eingangskanäle für eine zeitkohärente Signalerfassung ausgelegt sind.

Ein potenzieller Laufzeitunterschied (Differenz in der Ausbreitungsverzögerung), der vom Messaufbau herrührt, kann kompensiert werden (siehe Abb. 1). Erweiterte Trigger-Funktionalitäten stehen zur Verfügung, um Ereignisse zu isolieren und diese detaillierter zu analysieren. Im Folgenden soll ein anspruchsvolles Szenario gezeigt und die Fähigkeiten eines Oszilloskops als leistungsstarkes Werkzeug zur Fehlerbeseitigung vorgestellt werden.

Abb. 1: Räumliche Konfiguration des Radarwarnempfängers. Die Empfänger sind leicht Richtung Backbord und Steuerbord geneigt.
Abb. 1: Räumliche Konfiguration des Radarwarnempfängers. Die Empfänger sind leicht Richtung Backbord und Steuerbord geneigt.
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Messaufbau

Der Messaufbau umfasst die R&S®Pulse Sequencer Software, um ein Szenario im X-Band (8 GHz bis 12  GHz) zu simulieren, und einen zweikanaligen R&S®SMW200A Vektorsignalgenerator, um die erforderlichen Signale bereitzustellen. Das R&S®RTP Oszilloskop übernimmt die Analyse in Kombination mit der R&S®VSE Vector Signal Explorer Software. Um eine Phasendifferenz zu zeigen, werden nur zwei Antennen eines Radarwarnempfängers simuliert. Sie sind an den Flügelspitzen eines Flugzeugs mit einem Abstand von 11 m zwischen Steuerbord und Backbord positioniert. Um den Simulationsaufwand zusätzlich in Grenzen zu halten, wird jedes Objekt auf derselben Höhe platziert, sodass nur zwei Freiheitsgrade verbleiben (z. B. Ost- und Nordkoordinaten).

Häufig ist die Situation nicht statisch, sondern der Radarwarnempfänger muss dynamische Szenarien bewältigen. In diesem Beispiel besteht das Szenario aus einem beweglichen Emitter (der variierende Amplituden erzeugt) und einem stationären Emitter. Der Radarwarnempfänger verbleibt ortsfest. Abb. 1 und 2 zeigen die durch den R&S®Pulse Sequencer erzeugte räumliche Konfiguration. Ein Flugzeugradar (Fernaufklärer), das im X-Band arbeitet, verfolgt den Radarwarnempfänger und passiert ihn in seitlicher Richtung.

Abb. 2: Dynamik des simulierten Szenarios. Das Flugzeugradar ist auf den Radarwarnempfänger ausgerichtet, während das Bodenradar isotrop abstrahlt.
Abb. 2: Dynamik des simulierten Szenarios. Das Flugzeugradar ist auf den Radarwarnempfänger ausgerichtet, während das Bodenradar isotrop abstrahlt.
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Es existiert ein weiteres Radar (Bodenradar), das im X-Band arbeitet. Dessen Leistungspegel am Eingang des Radarwarnempfängers ähnelt demjenigen des Flugzeugradars. Das zweite Radar fungiert als Störquelle in der Radarwarnempfänger-Analyse.

Die Pulse des Bodenradars weisen Pulswiederholintervalle (PRIs) und Leistungspegel auf, die denjenigen des Flugzeugradars ähneln. Während das Signal des Bodenradars am Backbordempfänger schwächer und am Steuerbordempfänger stärker ist, erreicht der Leistungspegel des Flugzeugradars sein Maximum beim Backbordempfänger, fällt während der Bewegung hinter den Radarwarnempfänger ab und erreicht am Steuerbordempfänger wieder sein Maximum.

Abb. 3: Mit einem Auto-Trigger allein wird keine stabile Trigger-Bedingung erreicht. Allerdings erhält man einen ersten Überblick über das Szenario, um passende Trigger-Bedingungen zu finden.
Abb. 3: Mit einem Auto-Trigger allein wird keine stabile Trigger-Bedingung erreicht. Allerdings erhält man einen ersten Überblick über das Szenario, um passende Trigger-Bedingungen zu finden.
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Die Bestimmung der Phasendifferenz ist in einem Peilszenario von größter Bedeutung. Eine erste, einfache Triggerung auf die beiden vom R&S®RTP Oszilloskop empfangenen Signale ergibt ein eher gemischtes Bild (siehe Abb. 3).

Das Oszilloskop zeigt einen Puls mit einer Dauer von 5 μs für beide Empfänger und ein intermittierendes 1-μs-Signal, das das 5-μs-Signal mit zufälliger Verteilung umgibt. Tatsächlich sind dies die vordefinierten Werte für das Szenario, das mit der R&S®Pulse Sequencer Software simuliert wird.

Typ Pulsdauer Pulswiederholintervall Modulation
Fernaufklärer 1 μs 100 μs Keine
Bodenradar 5 μs 20 μs Barker 13

Wie oben erwähnt treten die Pulse vom Bodenradar häufig auf und sollen in der Analyse nicht berücksichtigt werden. Die simulierte Bewegung des Flugzeugs erstreckt sich über einen Bereich von 3 km. Bei einer Geschwindigkeit von 400 m/s wird diese Strecke in ca 7,5 s in einer Richtung überflogen. In diesem Zeitrahmen kann man mit ca. 75.000 Pulsen vom Flugzeug rechnen. Eine Zeitspanne von 7,5 s in einer einzigen Erfassung abzudecken, ist keine gangbare Option, da dafür 2 × 40 Gsample/s × 7,5 s = 600 Gsample an Speicher erforderlich sind. Eine passende Trigger-Bedingung, um die 1-μs-Pulse im Zeitbereich zu isolieren, ist unabdingbar.

Trigger-Bedingung

Die Trigger-Bedingung wird ausführlich in der Application Card „Triggerung auf Radar-HF-Pulse mit einem Oszilloskop“ (PD 3609.2000.92) erklärt. Die Pulse vom Fernaufklärer lassen sich mit der folgenden Trigger-Einstellung isolieren:

Trigger A
Trigger A
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  • Trigger A (Breiten-Trigger mit einer Aus-Zeit länger als 100 ns). Damit erreicht man einen stabilen Trigger für jeden Puls (einschließlich Pulsen, die nicht in der Analyse berücksichtigt werden)
Trigger B
Trigger B
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  • Trigger B (Timeout-Trigger). Der Trigger löst aus, wenn ein Puls für 10 ns unterhalb eines Schwellenwert-Pegels verbleibt. Trigger B wird nach einer Verzögerung, die etwas geringer ist als die beabsichtigte Pulsdauer, evaluiert, z. B. nach 95 % (mit dieser Bedingung werden immer noch sämtliche Pulse erfasst, die länger als diese Verzögerung sind)
Trigger C
Trigger C
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  • Trigger R (Reset-Timeout etwas höher als die beabsichtigte Pulsdauer, z. B. 10 %). Mit dieser Bedingung wird jeder Puls, der länger als der spezifizierte Timeout ist, zurückgewiesen. Demzufolge werden nur die 1-μs-Pulse berücksichtigt
Beide Kanäle des R&S®RTP werden mit einer Rate von 40 Gsample/s abgetastet.
Beide Kanäle des R&S®RTP werden mit einer Rate von 40 Gsample/s abgetastet.
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Analyseeinstellungen

Die Analyse kann entweder direkt am R&S®RTP (siehe Application Card „Analyse von HF-Radarpulsen mit einem Oszilloskop“ (PD 5215.4781.92) und Application Note „Automotive-Radar – Chirp-Analyse mit dem R&S®RTP Oszilloskop“ [GFM318]) oder mit Hilfe einer dedizierten Analysesoftware erfolgen. Rasch ermittelt die R&S®VSE Vector Signal Explorer Software in Kombination mit der Option R&S®VSE-K6A Mehrkanal-Pulsanalyse die Phasendifferenz sowie weitere wichtige Radarparameter wie Pulsdauer und Droop.

Kanal 1 und 3 dienen als Eingangskanäle, wobei der Waveform-Modus gewählt wird. Folglich werden beide Kanäle des R&S®RTP mit einer Rate von 40 Gsample/s abgetastet.

Nun ist das Oszilloskop bereit für die Signalerfassung.
Nun ist das Oszilloskop bereit für die Signalerfassung.
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Nach dem Einstellen wichtiger Parameter wie Mittenfrequenz und Aufzeichnungszeit und der Konfiguration des Detektionsalgorithmus wird R&S®VSE in den Trigger-Modus „Manual“ gesetzt. Die oben erwähnten Trigger-Einstellungen werden am R&S®RTP angewandt. Zusätzlich kann ein negativer Trigger-Offset definiert werden, um ein passendes Timing sicherzustellen, da der Trigger die Pulserfassung nach links vom Trigger-Marker verschiebt. Nun ist das Oszilloskop bereit für die Signalerfassung.

Abb. 4: Analyse-Hauptansicht der Option R&S®VSE-K6A Mehrkanal-Pulsanalyse. Die Phasendifferenz lässt sich entweder über Marker (Fenster unten rechts) oder über die Werte in der Ergebnistabelle (Fenster oben rechts) bestimmen.
Abb. 4: Analyse-Hauptansicht der Option R&S®VSE-K6A Mehrkanal-Pulsanalyse. Die Phasendifferenz lässt sich entweder über Marker (Fenster unten rechts) oder über die Werte in der Ergebnistabelle (Fenster oben rechts) bestimmen.
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Zu den wichtigen Analysewerkzeugen für die Mehrkanal-Pulsanalyse zählen die Messfunktionen „Pulse Phase (Wrapped)“ und „Pulse Phase (Unwrapped)“ (siehe Fenster unten rechts in Abb. 4). Es wird eine neue Messkurve erzeugt und Kanal 3 zugeordnet. Jetzt kann die Phasendifferenz gemessen werden, indem man Marker auf den beiden Kurven platziert und die Marker miteinander verbindet. Der Delta-Marker zeigt in diesem Beispiel eine Phasendifferenz von 279°. Die Phasendifferenz lässt sich auch aus den Werten in der Ergebnistabelle (Fenster oben rechts) bestimmen.

Fazit

Phasendifferenzmessungen erfordern phasenkohärente Empfänger. Insbesondere kann bei anspruchsvollen Szenarien eine passende Trigger-Bedingung die Analyse des relevanten Radarsignals beschleunigen. Die Option R&S®VSE-K6A Mehrkanal-Pulsanalyse nutzt die komplette Palette an digitalen Trigger-Funktionen der R&S®RTO und R&S®RTP Oszilloskope. Sie liefert eine automatische Analyse der wichtigsten Radarparameter in Kombination mit einer automatischen Phasendifferenzmessung.

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