用宽带示波器进行雷达信号的矢量剖析

前语

跟着雷达技能的开展，雷达的使命不仅是丈量方针的距离、方位和仰角，并且还包含丈量方针速度，以及从方针回波中获取更多有关方针的信息。雷达是运用方针对电磁波的发射（或称为二次散射）现象来发现方针并测定其方位的。旧式雷达发射波形简略，选用机械天线，信号处理简略。这种雷达存在的问题是抗干扰能力差，无法在杂乱环境下运用等问题。

由于航空、航天技能的飞速开展，飞机、导弹、人造卫星及宇宙飞船等选用雷达作为勘探和操控手法，对雷达提出了高精度、远距离、高分辨率及多方针丈量要求，新一代雷达对雷达原有技能作了相当大的改善，其间频率捷变和脉冲紧缩技能、选用编码扩频的低截获概率雷达技能、动态方针显现和脉冲多普勒技能是十分重要的新技能。20世纪70年代后研发的新式雷达大部分选用了脉冲紧缩的体系。图1是脉冲紧缩雷达的简化图。

图1：脉冲紧缩雷达简化图

图1中，雷达发射机（Transmitter）选用数字组成或其他技能发生功率脉冲，其波形是脉冲宽度为τ、重复频率为Tτ的高频脉冲串。在脉冲内部选用线性调频或相位编码调制等技能。雷达接收机（Receiver）把雷达回波下变频到中频，通过脉冲紧缩滤波器（Pulse Compression Filter）后，脉冲被紧缩，紧缩的脉冲通过基带改换器（Synchronous I/Q Detector）变成基带I与Q信号后运用ADC进行模数转化，转化后的数字信号被送到信号处理机进行数字信号处理和剖析。

现代雷达最常用两种脉冲紧缩办法是线性调频和巴克码调制。下面介绍怎么用宽带雷达信号剖析仪进行线性调频和巴克码调制雷达信号的矢量剖析。所谓矢量剖析是相关于标量剖析而言的，不仅仅剖析雷达信号的振幅－频率、振幅－时刻特性，还剖析相位－频率、相位－时刻、群推迟、解调特性等。

宽带示波器变身宽带雷达剖析仪

安捷伦的Infiniium示波器结合89601矢量信号剖析软件组成了宽带雷达剖析仪，能够从脉冲，基带，中频和射频/微波各种视点进行雷达的多种丈量和剖析，首要包含：

1、雷达的脉冲参数测验，如上升时刻、脉冲宽度及安稳度、脉冲距离及安稳度等；

2、雷达的脉冲颤动，时钟、PLL颤动等测验和剖析；

3、雷达的脉内初始相位测验；

4、雷达信号的矢量剖析；

5、雷达接收机I/Q通道一致性测验；

6、雷达各类放大器的宽频测验和在线测验等。

Infiniium示波器有600MHz～1GHz带宽（4GSa/s采样率），2GHz～7 GHz带宽（20GSa/s采样率），10GHz～13GHz带宽（40GSa/s采样率）多种挑选。结合89601矢量信号剖析软件，剖析带宽最高到达13GHz，成为当之无愧的宽带雷达剖析仪。

89601本是用在安捷伦89600系列矢量信号剖析仪的剖析软件，现在也能够直接装在Infiniium示波器内部，结合Infiniium示波器的硬件，进行矢量信号、瞬变信号的剖析，把Infinium示波器从时域测验，扩展到频域，解调域，乃至码域的测验和剖析。图2是89601结合Infiniium示波器组成的宽带雷达剖析仪的数据处理结构。

图2：宽带雷达剖析仪的数据处理结构

信号通过电缆或示波器的探头（运用示波器探头能够进行在线测验）进入示波器，在示波器内部会先通过衰减器和前置放大器，然后信号被耦合到ADC进行数字化，数字化的波形能够直接进行显现，或通过I/Q转化和数字滤波变成I与Q信号（能够直接显现I与Q信号）；再把时域的数据进行FFT改换得到频域数据；时域的数据进行解调处理即可进行解调剖析，比方显现星座图，或显现码域数据等。由图可见，宽带雷达剖析仪实际上是一个硬件与软件结合的数据收集和数据处理进程，由于ADC有足够高的实时采样速率（高达40GSa/s），所以宽带雷达剖析仪有足够高的剖析带宽，最高到13GHz。

89601还支撑用户自定义数学函数修改，愈加强了对矢量信号和雷达信号的剖析功用。自定义数学函数包含：magnitude（量值）,real（实部）,conj（共轭）,fft（傅立叶改换）,ifft（反傅立叶改换）,phase（相位）等等，并且函数目标能够是不同品种的Trace Data踪影数据或data register数据寄存器数据。函数之间运算包含：+、-、x、/（加减乘除）。这样咱们能够对捕获的信号进行各种杂乱的数字信号处理运算而不需求把测验成果导出89601，运用其他软件如Matlab等来处理。

线性调频雷达矢量剖析

线性调频LFM是最常见的脉冲紧缩技能之一。图3左面部分是LFM脉冲紧缩原理，右边部分是Chirp雷达信号的整体状况窗口。

图3：线性调频LFM脉冲紧缩技能和Chirp雷达信号的整体状况窗口

如图3左面部分所示，脉冲宽度为PW，脉内线性调频的雷达信号通过脉冲紧缩滤波器后，脉冲宽带被紧缩为PW_comp，脉冲紧缩比为：

(1)

一起有时刻旁瓣电平SLL呈现，SLL是脉冲紧缩的质量标准。

脉冲紧缩滤波器是相关滤波器，在89601里，能够通过Math函数功用完成，因而就简单直接测验和剖析雷达发射机发射的LFM脉冲紧缩信号的旁瓣电平SLL了。

如图3右边部分所示，能够直接运用宽带雷达剖析仪显现Chirp雷达信号的整体状况：包含频谱，脉冲包络，星座图，FM特性等，能够运用Marker功用测验线性调频LFM的带宽，对称度和线性度等。

为了测验SLL，咱们运用89601的自定义数学函数功用修改测验值与抱负值之间的频域相关函数，用此函数来仿真雷达接收机的脉冲紧缩滤波器。

而Ideal是存在Data Register D1中的抱负LFM波形数据。

window是履行FFT改换的窗口函数，这儿用Hanning汉宁窗口。在窗口中给出了输入到Math中的表达式。

然后用Matlab来树立抱负LFM波形数据，长度与被测波形数据相同长：

（3）

采样距离（或采样率）与丈量时相同的采样距离（或采样率）：

（4）

SS89601为采样距离（Sample Spacing），SR89601为采样率（Sample Rate），Span为扫宽。

然后，参阅协助中的“Creating A Recording Using an ASCII Editor”添加文件格局头。发生的文件如下表所示，并把发生的文件导入到89601里的Data Register D1中。

表1：用Matlab发生的抱负LFM波形数据

这样，咱们就得出如图4中的测验成果，得出SLL详细数值，一起得出抱负的SLL详细数值，也能够检查抱负的FM和测验的FM状况。

图4：线性调频Chirp雷达的SLL测验

那么怎么详细丈量Chirp差错呢？

（5）

在89601里，这能够表达为丈量值与抱负值振幅上的差错比率或丈量值与抱负值相位上的不同。

关于FM差错，咱们能够运用时刻上的群推迟函数进行直接丈量：

关于相位差错丈量，能够调整触发推迟，去除时刻偏置引起的相位偏置。图5即为如此处理后的Chirp差错丈量成果。

图5：Chirp雷达LFM差错测验成果

巴克码雷达矢量剖析

巴克码调制也是最常见的脉冲紧缩技能之一。图6中左面部分是巴克码脉冲紧缩的示意图，右边部分是巴克码雷达信号的整体检查。

图6：巴克码脉冲紧缩技能和巴克码雷达信号的整体检查

如图6左面部分所示，巴克码是二进制相位编码，通过脉冲紧缩滤波器或相关滤波器后：

峰值旁瓣<=幅值的1/N （其间N是巴克码的长度）

旁瓣电平SLL是其质量标准，简单用89601中的数学函数功用来完成SLL的丈量。

如图6右边部分所示，BPSK时域波形与常值包络类似（图的上部），一起具有0度或180度的相位转化（图的中部）。咱们能够直接测验脉冲内的相位转化特性来剖析巴克码调制的成果。

更好的办法是运用89601的数字解调器功用来简化剖析，其间解调剖析中的符号速率为：

（6）

翻开89601的数字解调器后，89601能够直接测验调制质量，或EVM（矢量起伏差错）。89601的数字解调器有十分强壮的功用，能够直接确定载波和符号数据，能够解出详细的符号数据，能够得出抱负的调制特性等等。翻开数字解调器后，能够显现如图7所示的各种波形，得出EVM测验成果。

图7：翻开89601数字解调器后，直接测验巴克码调制质量EVM

咱们能够运用Math自定义数学函数功用来进行SLL测验。在Math里进行相关处理。

（7）

其间，抱负IQ波形ref(t)已经由89601的数字解调器得出来，咱们就不需求再用Matlab等东西修改发生了。conj是共轭函数。在Math里，输入详细相关函数如下：

得出SLL的丈量成果如图8所示，得出SLL为－24dB。

图8：巴克码雷达SLL丈量成果

总结

从上面的两种典型脉冲紧缩雷达信号丈量剖析中，咱们能够看出Infiniium矢量示波器或宽带雷达剖析仪能够进行雷达信号的矢量剖析。

89601自身已经有各种功用进行雷达信号的丈量和剖析，比方：频谱，相位，I/Q星座图等，假如翻开数字解调器功用，剖析功用将更多，比方：EVM，解码，得出抱负波形等；假如咱们再运用89601的自定义数学函数功用，能够把89601的功用扩展，比方做差错剖析，SLL剖析等。

Infiniium矢量示波器或宽带雷达剖析仪由于运用了实时示波器的捕获和收集功用，能够直接测验剖析基带，中频，射频/微波信号，并且剖析带宽十分高，最高到13GHz。别的，运用示波器的高阻有源探头，还能够支撑在线测验，在不影响体系的运转条件下进行在线丈量和剖析。