利用頻譜分析儀加速脈沖信號分析
2015-08-08
考察脈沖信號
脈沖信號包含了很多跨越廣泛頻率范圍的頻譜線(圖1)。結果可有三種顯示方式，這有賴于脈沖和分辨帶寬(RBW)等參數。如果RBW小于頻譜線間距，改變它不會改變其測量水平。帶寬窄于包絡中第一個無效間距(1/脈沖寬度)就可以顯示包絡頻譜。最后，如果帶寬寬于無效間距，帶寬內的整個頻譜下降，這意味著該信號的頻譜無法顯示。隨著帶寬的進一步增加，響應接近脈沖的時域函數。依靠脈沖參數，還可以計算出脈沖降敏因子，這減少了頻譜分析儀脈沖帶寬內的測量水平。在這種情況下，標記讀數加上降敏因子等于峰值功率。
RBW值對脈沖信號的測量很重要，這是因為在測量水平上RBW的改變產生變化。脈沖降敏因子取決于脈沖參數和RBW，如果帶寬大于頻譜線的間距，所測得的幅度依賴于帶寬和總信號帶寬內的頻譜線數目。儀器中的濾波器形狀決定著RBW校正因子，這是因為帶寬的形狀反映了濾波器帶寬內的功率。如果RBW太寬，頻譜線或包絡頻譜變成時域譜，并且RBW濾波器的脈沖響應變得很明顯。
在時域使用頻譜分析儀，就有可能獲得脈沖寬度的直接測量。峰值標記允許峰值功率的測量，而增量標記允許參數的測量，例如上升時間、下降時間、脈沖重復間隔及過沖。通過寬RBW和視頻帶寬(VBW)，頻譜分析儀可以追蹤射頻脈沖的包絡，以便可以看到脈沖的沖擊響應。最高RBW/VBW限制了頻譜分析儀測量窄脈沖的能力，并且通用規則長期以來一直認為最短的脈沖是可測的，其脈沖寬度應大于或等于2/RBW 。
雷達系統通常在射頻脈沖內采用調制。了解這種調制的功率特性很重要，這是因為雷達范圍受到脈沖內可獲得功率的限制。反過來說，更長的脈沖長度將導致有限的分辨率。調制制式可能的范圍從簡單的FM(調頻)到復雜的數字調制制式，其可以支持現代頻譜分析儀。頻譜分析儀也可以測量傳統的模擬調制脈沖(AM、FM、相位調制) 。此外，其還可以執行分析功能，這涉及許多數字調制制式的解調制，如射頻脈沖內的巴克碼BPSK調制、脈沖到脈沖的相位測量等。
脈沖功率測量和探測器
在雷達發射機中，測試輸出功率是一個重要的測量，并且可以采用幾種不同類型的測量。平均功率通常采用功率計作為均值功率測量。另一個重要的值是峰值功率，且如果脈沖重復頻率(PRF)和脈沖寬度已知，就可以計算出所測到的平均功率。
在頻譜分析儀上采用光柵掃描CRT顯示器(或LCD)來顯示時域信號波形。這些顯示器中的象素數目，在振幅軸以及在時間(或頻率)軸是有限的。這導致幅度和頻率或時間的有限分辨率。為了顯示掃描到的全部測量數據，探測器被用來將數據采樣壓縮到顯示像素許可的數量。
對于峰值功率的測量，頻譜分析儀具有峰值檢測器，其可以顯示某個給定測量區間內的最高功率峰值。然而，對于調幅信號的平均功耗測量，如脈沖調制信號，頻譜分析儀中的峰值探測器是不適合的，這是因為峰值電壓與信號功率無關。然而，這些儀器也提供了抽樣探測器或rms探測器。
抽樣探測器每個測量點檢查包絡電壓一次，并顯示結果，但這可能引起信號信息的總損耗，這是因為可在屏幕x軸上獲得的像素數量是有限的。rms探測器在ADC的全采樣率下采樣包絡信號，并且單個像素范圍內的所有采樣被用于rms功率的計算。因此，rns探測器顯示了比抽樣檢測器更多的測量樣本。
通過將功率計算公式用于所有樣本，每個像素都代表了rms探測器測量的頻譜功率。對于高重復性，可以通過掃描時間來控制每個象素的樣本數量。越長的掃描時間，時間間隔上每個像素的功率積分也隨之增加。在脈沖信號下，可重復性依賴于像素內的脈沖數量。對平滑部分，穩定的rms追蹤結果，掃描時間必須設為足夠長的值，以便在一個像素內捕捉幾個脈沖。rms探測器計算所有樣本的rms值，這由屏幕上的一個單一像素來線性地代表。
為了精確測量脈沖調制信號的峰值和均值功率，該儀器的IF帶寬和ADC轉換器的采樣率必須足夠高，以便其不會影響脈沖的形狀。例如，羅德與施瓦茨(R&S)公司的FSP頻譜分析儀中可以獲得10MHz分辨帶寬和32MHz采樣率，在脈沖寬度窄至500ns的高精度下測量脈沖調制信號是可能的。
測試設備實例
對本文中的測量例子，R&S SMU信號發生器被用于創建模擬雷達信號，并且輸出信號是AM調制射頻載波。利用任意波形發生器來產生寬帶AM調制，以創建一個具有500 ns脈沖寬度和1kHz PRF的脈沖序列。脈沖水平隨時間變化，來模擬長期平均功率測量的天線旋轉效果。
對于測量峰值功率，頻譜分析儀必須設為足夠寬的RBW和VBW以便在脈沖寬度內穩定。在這種測量中，RBW和VBW設為10MHz。頻譜分析儀設到零跨度，并顯示功率隨時間的變化。掃描時間設為允許探測單一脈沖的值。頻譜分析儀采用視頻觸發來顯示穩定的脈沖形狀顯示。脈沖寬度被改變，并且采用100ns、200ns和500ns的脈沖寬度來繪制三個測量結果，從而研究分辨濾波器穩定時間帶來的影響。
藍色虛線是采用500 ns脈沖寬度測量的，并在脈沖頂部顯示出一個平坦響應。綠色虛線是采用200 ns脈沖寬度測量的。此值等于計算得到的穩定時間。該測量中的峰值水平剛剛達到500 ns脈沖的實測值。標記1(T2)被設為峰值，顯示為9.97dBm。該脈沖寬度是10MHz分辨帶寬下可以準確測量的最小值。紅色實線是采用100ns脈沖寬度測得的，其短于分解濾波器的穩定時間。在該圖中，增量標記讀數“Delta 2 (T3)”設定為峰值，并顯示出對歸一化脈沖水平大約3dB的損耗。
下一步就是脈沖寬度的測量，這通常被定義為信號水平在通過其脈沖長度平均電壓50%的點(圖3)。在通常用于頻譜分析儀的對數級網格中，該點低于峰值水平6dB。對于脈沖寬度測量，標記設為在上升沿低于平均脈沖功率6dB，并且增量標記被放在脈沖下降沿低于平均功率6dB的點。
在這種情況下的增量標記水平讀數應為0dB。由于有限的測量點分辨率，小的水平差異也必須予以接受。在這種測量中，增量標記讀數“Delta 2 (T1)”顯示出508 ns的脈沖寬度。該測量精度受到ADC轉換器采樣率的影響，其定義了軌跡內的位置，在該處可以獲得實測值。在這些點之間，這些軌跡數據通過插值來生成軌跡的顯示點。ADC轉換器的采樣率是32MHz，從而導致測量采樣間隔為31.25ns。
雷達發射機的輸出信號脈沖調制分布在廣泛的帶寬內，其可以視為著名的(sin (x))/x頻譜形狀的頻譜分析儀。單個譜線不容許直接計算峰值或平均功率。不了解如脈沖寬度或PRF等調制參數，功率的計算是不可能的。對于信道功率測量，最現代的頻譜分析儀提供給定信道內功率的計算軟件程序。通過整合功率，這些程序計算出功率，這些功率由信道帶寬頻率范圍內所顯示的軌跡像素來代表。
測量平均功率需要rms探測器。當評價雷達信號時，在幾個旁瓣上積分允許計算平均功率，這是因為大部分能量被包含在(sin (x))/x頻譜的主瓣和鄰近的旁瓣內。通過采用足夠寬的信道帶寬來捕獲信號的主瓣和幾個旁瓣，可以測量平均功率。
信道功率測量的測量結果。該信道帶寬被設為10MHz，來捕捉主瓣和相鄰的旁瓣。50MHz信道帶寬同樣的測量捕獲了多于每邊10個旁瓣(圖5)。-23.01dBm信道功率的測量結果適合計算脈沖信號的平均功率。即使10MHz的測量也顯示出與目標值良好的一致性，這是因為大部分的功率集中在主瓣和第一相鄰的旁瓣。這一測量平均功率的方法，脈沖調制參數的知識是不必要的，并且具有不斷變化的脈沖參數的脈沖信號是可用的。
頻譜分析儀助力設計師
現代頻譜分析儀非常適合于各種用于雷達系統的脈沖信號的功率測量。然而，脈沖和調制脈沖信號的獨特性能使得了解如何有效利用頻譜分析儀的特點變得重要。具有這方面的知識，這些儀器能夠提供脈沖信號特性的完整圖像，其可以幫助設計師優化雷達系統的性能。
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