Анализ радиолокационных ВЧ-импульсов с помощью осциллографа

Анализ радиоимпульсов — ключевая задача в импульсных радиолокационных системах, например, в РЛС управления воздушным движением (УВД), морских РЛС или при научных измерениях ионосферы. Важнейшее значение имеет анализ огибающей импульса во временной области, так как она содержит важную информацию, необходимую для определения характеристик выполнения задачи. Цифровой осциллограф R&S®RTO — очень полезный измерительный прибор для анализа характеристик импульса.

Измерительная задача

Задача заключается в измерении частоты, времени нарастания/спада, периода повторения импульсов (PRI), длительности импульса и амплитуды радиолокационных импульсов с целью проверки того, что эти параметры соответствуют вашим требованиям (Richard, Mark (2013): Fundamentals of Radar Signal Processing. 2. Edition: McGraw-Hill Companies).

Эти параметры используются для определения измерений диапазона (на основе PRI) и разрешения (на основе длительности). Результаты измерений времени нарастания/спада используются для оценки эффективности использования спектра и проверки того, что передаваемые сигналы не выходят за пределы диапазона. Кроме того, можно анализировать изменения амплитуды от импульса к импульсу.

Контрольно-измерительное решение

Цифровой осциллограф R&S®RTO способен анализировать радиоимпульсы с частотами до 6 ГГц. Для анализа огибающей радиоимпульса сигнал должен быть демодулирован. Традиционный АМ-демодулятор выпрямляет сигнал и отфильтровывает ВЧ-компоненты с помощью фильтра нижних частот с целью определения огибающей. За счет фильтра нижних частот сигнал усредняется по времени. Результатом этого усреднения является то, что амплитуда демодулированного сигнала не соответствует исходной огибающей.

Это приводит к некорректному результату измерения амплитуды. Вычисляется линейный поправочный коэффициент, который используется для коррекции результатов измерений. Так как осциллографы R&S®RTO поддерживают высокоэффективные математические функции с редактором математических формул R&S®RTO, эти коррекции могут выполняться применительно к измеряемому сигналу и приводят к корректным показаниям амплитуды.

Последовательность выпрямленных полуволн
Рисунок 1 — Импульс как последовательность выпрямленных полуволн. Его энергия эквивалентна энергии прямоугольного импульса.
Открытый Lightbox

Математические основы

Линейный поправочный коэффициент k сглаживает воздействие АМ-демодулятора. Для вычисления коэффициента k фильтр нижних частот АМ-демодулятора аппроксимируется с использованием синусоидального сигнала (синяя линия на рис. 1) с периодом T/2.

На рисунке 1 показан выпрямленный импульс в виде последовательности синусоидальных сигналов. Между средней энергией и амплитудой огибающей есть фиксированная взаимосвязь. Интеграл первой половины периода (знаменатель уравнения) представляет собой среднюю энергию, которая показана на рисунке 1 в виде прямоугольника. Формула для коэффициента k выражает соотношение между амплитудой A синусоидального сигнала и амплитудой огибающей.

После вычисления интеграла период T обнуляется, что обеспечивает единственное значение:

analyzing-rf-radar-pulses-oscilloscope_ac_5215-4781-92_02.png

Коэффициент k используется в уравнении фильтра нижних частот для устранения разницы между реальной амплитудой огибающей и отображаемой амплитудой.

Применение

Образец импульса радиолокационного сигнала УВД используется для демонстрации применения. Сигнал имеет следующие характеристики:

  • Несущая частота 2,8 ГГц (S-диапазон)
  • PRI = 757 мкс при длительности импульса = 1 мкс
  • Время нарастания и время спада: tнарастания= tспада = 80 нс
Рисунок 2 — Редактор формул: уравнение расчета огибающей, умноженной на коэффициент k = π/2.
Рисунок 2 — Редактор формул: уравнение расчета огибающей, умноженной на коэффициент k = π/2.
Открытый Lightbox

Этот импульс анализируется с помощью R&S®RTO. На рисунке 2 показано уравнение огибающей в математической функции R&S®RTO (редакторе формул), в которой используется поправочный коэффициент k= π/2.

Для наилучшей аппроксимации огибающей должна быть оптимизирована частота фильтра нижних частот. При низкой частоте среза могут подавляться пульсации, а процесс установления будет идти медленно. При более высокой частоте среза процесс установления протекает быстрее, но при этом измеряется большее количество пульсаций. В данном примере используется подходящее компромиссное значение fсреза= 50 МГц для частоты среза. С помощью известного приближения tнарастания= 0,35/fсреза = 0,35/(50 МГц) = 7,0 нс можно анализировать огибающие с временем нарастания больше 7,0 нс.

На рисунке 3 желтый сигнал представляет собой модулированную несущую волну, а черный сигнал отображает расчетную скорректированную огибающую амплитудной модуляции.

Расчет данного результата измерения имеет теоретическую погрешность менее 1,5 %, так как используемый фильтр нижних частот выполняет приближение среднего значения на основе вычисления интеграла. Рассчитанная кривая используется для корректного измерения амплитуды, времени нарастания/спада и длительности модулированного импульса. В разделе результатов измерения Meas Results 1 (Результаты измерения 1) на рисунке 3 справа отображаются окончательные результаты измерения радиоимпульса.

Для измерения периода PRI используется режим архива. Это измерение описывается в отдельном руководстве по применению (Application Note 1TD02 “Advanced Signal Analysis using the History Mode of the R&S®RTO Oscilloscope”; M. Hellwig, T. Kuhwald).

Заключение

Цифровой осциллограф R&S®RTO анализирует радиоимпульсы вплоть до максимальной полосы пропускания используемого прибора. Анализ радиоимпульсов включает в себя определение таких параметров, как частота, период (PRI), длительность импульса и время нарастания/спада. Рассчитанный поправочный коэффициент k используется для корректировки результатов измерения амплитуды радиоимпульсов с целью получения корректной амплитуды огибающей радиоимпульса.

Масштабирование нарастающего фронта радиоимпульса со скорректированной огибающей, добавленной в виде черного сигнала.
Рисунок 3 — Масштабирование нарастающего фронта радиоимпульса со скорректированной огибающей, добавленной в виде черного сигнала.

Связанные решения