Demodulazione degli impulsi RF radar con un oscilloscopio

Attività da eseguire

È necessario misurare impulsi RF radar rispetto a frequenza, tipo di modulazione (lineare in salita/in discesa, esponenziale, fase) velocità chirp, sequenza di modulazione, intervallo di ripetizione degli impulsi (PRI) e ampiezza per valutare se soddisfino i propri requisiti ¹⁾. Quindi, è necessario far scattare il trigger in corrispondenza di un impulso in maniera riproducibile, per posizionare temporalmente l’impulso in modo corretto ed effettuare le misure. Una volta scattato il trigger, è possibile demodulare gli impulsi, che sono modulati in frequenza o in fase.
¹⁾ Richard, Mark (2013): Fundamentals of Radar Signal Processing. 2ª. Edizione: McGraw-Hill Companies

Soluzione Rohde & Schwarz

Gli oscilloscopi R&S®RTO e R&S®RTP possono analizzare impulsi RF con frequenze fino a 6 GHz/8 GHz. La funzionalità più importante per l’analisi degli impulsi è il trigger digitale. Rispetto al trigger analogico, il trigger digitale ha una sensibilità di attivazione molto migliore e nessuna limitazione della larghezza di banda, che consente di sfruttare modalità di trigger avanzate. Per analizzare un impulso RF, il trigger deve sempre essere nella stessa posizione rispetto all’impulso. Ad esempio, viene utilizzato un treno di impulsi con una durata degli stessi di 25 μs e un valore PRI di 50 μs (vedere schermata seguente). Un ingrandimento mostra il terzo impulso con maggiore dettaglio nella posizione di trigger (t = 0 s).

Per questa acquisizione si utilizza il trigger in base alla larghezza (durata). L’impostazione del trigger (Trigger per impulsi RF radar con un oscilloscopio - Scheda applicativa, PD 3609.2000.92 Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG) e l’analisi dell’inviluppo (Analisi di impulsi radar RF con un oscilloscopio - Scheda applicativa, PD 5215.4781.92, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG) sono descritte in documenti separati. La scala orizzontale è impostata a 14 μs/div, in modo che siano catturati tre impulsi per analizzare la sequenza di modulazione.

Ora l’impulso è demodulato. Il treno di impulsi di esempio è modulato in frequenza ed è demodulato utilizzando una delle misure di frequenza automatizzate dell’oscilloscopio. Utilizzando questa tipologia di misura assieme alla funzionalità di tracciatura, le misure della frequenza sono visualizzate in funzione del tempo. Questo metodo funziona bene per i segnali radar in banda larga quali, ad esempio, i radar automobilistici. Per segnali a banda stretta, quali ad esempio i radar ATC in cui la frequenza della portante è grande rispetto alla larghezza di banda occupata (f_C >> f_B), la funzione di tracciatura appare piuttosto rumorosa. Questo rumore limita l’accuratezza della misura della velocità chirp e richiede una riduzione aggiuntiva del rumore.

La riduzione del rumore del segnale non è immediata. Non è possibile utilizzare un semplice filtro passa banda a causa della frequenza variabile della portante. La larghezza di banda del filtro deve essere piuttosto grande. In un sistema convenzionale di radar coerente, i percorsi di ricezione e trasmissione condividono un oscillatore locale stabilizzato. Per un oscilloscopio, la conversione verso il basso con l’oscillatore locale del trasmettitore è impossibile in quanto questo segnale non è disponibile. L’utilizzo di un anello ad aggancio di fase (PLL) ¹⁾ per demodulare il segnale rappresenta un altro metodo.
¹⁾ Richard, Mark (2013): Fundamentals of Radar Signal Processing. 2ª Edizione: McGraw-Hill Companies

Gli oscilloscopi R&S®RTO e R&S®RTP hanno un sistema di recupero del clock dai dati (CDR) basato sul software che è equivalente a un PLL. Utilizzando la funzione di misura automatizzata, la velocità dei dati misura essenzialmente la frequenza istantanea dell’impulso. Quando la funzione di tracciatura della velocità dei dati è attivata, viene visualizzata la frequenza istantanea in funzione del tempo (vedere Track 2 sul lato destro della prima schermata). A causa dell’utilizzo della funzione velocità dei dati, l’unità verticale della traccia visualizzata è gigabit al secondo (Gbps), che è equivalente a GHz, in quanto il periodo dei bit e il periodo dell’onda sinusoidale sono identici.

Il Diagramma 1 (sezione superiore della prima schermata) mostra la sequenza di modulazione dei chirp nelle direzioni basso-alto-basso entro lo stesso treno di impulsi composto da tre unità. Per un’analisi più dettagliata, il cursore sulla traccia nella finestra di ingrandimento può essere utilizzato per misurare la velocità chirp. Ciò misura la variazione di frequenza dell’impulso nel tempo. Per l’esempio dato, Cursor Results 1 (in basso a destra nella prima schermata) mostra 10 MHz in 25 μs per il chirp verso il basso.

La funzione di velocità dei dati richiede la configurazione CDR. La schermata precedente mostra il menu CDR, dove l’algoritmo è impostato a PLL, e i fronti di impulso dei dati sono impostati come fronti positivi. Definire l’ordine del PLL come secondo ordine, dal momento che solo un PLL di secondo ordine visualizza la corretta tracciatura temporale della frequenza 1) rispetto alla velocità dei dati. La stima del bit rate imposta il bit rate nominale al valore previsto.

Il fattore di smorzamento e le impostazioni di sincronizzazione non necessitano di modifiche dai valori predefiniti. La larghezza di banda è importante solo per la misura. La larghezza di banda PLL consente di ottenere un compromesso tra il rumore visibile e il tempo di assestamento per l’impulso iniziale. Una grande larghezza di banda si assesta rapidamente, ma non attenua efficacemente il rumore, mentre una larghezza di banda piccola attenua efficientemente il rumore sulla traccia ma richiede più tempo per l’assestamento. Con l’impostazione visualizzata della larghezza di banda PLL di 3,8 MHz, il rumore è a stento visibile sulla traccia e l’effetto dell’assestamento è minimo, il che migliora l’accuratezza della misura della velocità chirp.

Riassunto

Gli oscilloscopi R&S®RTO e R&S®RTP analizzano impulsi RF alla larghezza di banda massima del modello utilizzato. Per eseguire un’analisi dettagliata, gli oscilloscopi R&S®RTO e R&S®RTP permettono di far scattare il trigger precisamente in corrispondenza dell’impulso. La forma d’onda catturata stabile può essere demodulata per analizzare caratteristiche importanti quali la sequenza di modulazione e la velocità chirp. Gli oscilloscopi R&S®RTO e R&S®RTP possono anche caratterizzare accuratamente l’inviluppo degli impulsi (Analisi di impulsi radar RF con un oscilloscopio - Scheda applicativa, PD 5215.4781.92, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG).