Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Воскресенье, 18 ноября
 
 

Это интересно!

Ранее

Работа с зашумленным сигналом. Функции осциллографа, упрощающие измерения

В статье описываются общие функции осциллографов, которые позволяют снизить шум во время измерения, включая новейшее средство, представленное только в осциллографах серии Tektronix MSO2000 и DPO2000 – перестраиваемый фильтр нижних частот FilterVu.

Прямой синтез сигналов для тестирования последовательных шин

По мере роста скоростей передачи данных проверка работы высокоскоростных схем последовательной передачи данных все более сосредотачивается на тестировании приемного устройства в условиях помеховой нагрузки. Сложность тестовой системы, а также непостоянная аналоговая природа реальных сигналов потребовали улучшения методики тестирования для имитации помех и искажений сигнала. В статье рассказывается о применении для этого технологии прямого синтеза сигналов, реализованной в высокоскоростных генераторах сигналов произвольной формы.

Анализаторы спектра в реальном масштабе времени

В статье кратко описаны возможности технологии анализаторов спектра Tektronix, использующих технологию DPX. Приведены причины, поясняющие необходимость применения подобных приборов, основная особенность которых — регистрация переходных процессов ВЧ-сигналов.

 

3 марта

Измерения характеристик современных РЛС с ЛЧМ

Измерение параметров современных РЛС, использующих линейную частотную модуляцию, связано со многими проблемами, которые приходится решать проектировщикам системы. Для таких измерений всегда требовались сложные тестовые системы, состоящие из нескольких устройств. Использование единственного автоматического измерительного прибора позволяет упростить процедуру тестирования и улучшить воспроизводимость результатов. В статье обсуждаются различные виды измерений параметров сигналов, используемых в современных РЛС с ЛЧМ с полосой пропускания до 20 ГГц. Статья представляет собой перевод [1].



Проблемы измерения параметроврадиолокационных сигналов

Измерения параметров широкополосных сигналов — как непрерывных (CW), так и FM-импульсов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) — с помощью традиционных методов тестирования часто вызывают затруднения. С уменьшением длительности импульсов ширина полосы пропускания ЛЧМ-сигналов становится сравнимой с отклонением FM-модуляции, даже при более низкой частоте синхронизации.

В настоящее время доступны приборы с радиочастотным (РЧ) преобразованием, полосой оцифровки до 110 МГц, использующие автоматические процедуры измерения параметров сигналов. Некоторые из измерительных программ, применяемых в этих РЧ-анализаторах, могут быть также использованы в широкополосных цифровых осциллографах, что обеспечивает измерение импульсов и ЛЧМ-сигналов с шириной полосы до 20 ГГц.

Такой прибор способен выполнять множественные тесты, используя данные одиночного измерения исследуемого устройства. Тесты могут включать измерение РЧ-мощности, спектральный анализ, детектирование паразитного сигнала, определение временных параметров импульсов, измерение отклонения частоты и фазы, линейности ЛЧМ, точности цифровой модуляции и т.д.

Обнаружение скрытых частот

Перед измерением характеристик сигналов требуется обеспечить надежный запуск измерений в частотной области. Одной из последних разработок является так называемый «запуск по частотной маске» (Frequency Mask Trigger). Эта технология позволяет задать ограничивающую маску по частоте и амплитуде, которая автоматически сравнивается со спектром входного сигнала. Каждый раз при попадании сигнала в пределы маски будет запускаться механизм захвата сбойной ситуации.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 1. Запускающий сигнал пересекает частотную маску

На рисунке 1 показано, как запускающий сигнал пересекает частотную маску. Традиционный запуск осуществляется по сигналу высокого уровня, который находится в области ПЧ и не позволяет обнаружить малые сигналы. Предложенный механизм захвата обеспечивает захват даже самых коротких сигналов с вероятностью 100%.

Исследования низкоуровневых паразитных сигналов в спектре

Еще одним усовершенствованием стала дополнительная вычислительная мощность для преобразования частоты, достаточная для отображения изменяющихся во времени нежелательных сигналов, которые могут попасть в ЛЧМ-импульс. Традиционные анализаторы спектра выполняют одно измерение спектра сигнала для каждого обновления экрана прибора, частота которого обычно составляет от 30 до 50 раз в секунду. Специализированная аппаратура для иследования радиолокационных сигналов обеспечивает в настоящее время более 48 тыс. измерений спектра в секунду, что можно отобразить на дисплее с цветовой градацией.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 2. Меняющаяся интерференция импульсов в спектре сигнала

На рисунке 2 изображены два представления одного и того же CW-импульса РЛС с неустойчивой интерференцией. Для того, чтобы увидеть эти неустойчивые сигналы, требуется обновлять измерения спектра быстрее, чем при традиционных методах измерений.
Верхняя часть рисунка 2 отображает результаты измерений спектра со скоростью 50 изм./с. Из-за невысокой частоты обновления изображение спектра прыгает вверх и вниз. Чрезвычайно трудно увидеть низкоуровневый сигнал внутри сигнала РЛС. Как показано на рисунке, для стабилизации изображения используется запуск по импульсу.
Нижняя часть рисунка 2 отображает тот же сигнал РЛС при скорости обновления спектра 48 тыс. изм./с в виде цветовых переходов. При таком способе измерения низкоуровневые сигналы становятся отчетливо заметными даже на фоне импульса РЛС. В этом случае, чтобы увидеть оба эти сигнала одновременно, нет необходимости в запуске. Такая интерференция проходит по сигналу в течение нескольких миллисекунд и повторяется с интервалом 2 с.

Анализ ЛЧМ-сигнала

На рисунке 3 представлено изображение спектра (вверху) традиционного анализатора спектра. Он осуществляет 30…50 изм./с, что значительно быстрее, чем в ранее применявшейся технологии. На данной осциллограмме совмещен режим основного дисплея и отображения максимального измеренного значения. Даже при таком режиме можно построить лишь контур самого большого по амплитуде в данный момент сигнала. На осциллограмме виден контур ЛЧМ-сигнала, даже можно увидеть большую несущую частоту слева на дисплее, но не видны наложения других сигналов.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 3. Высокая скорость измерения спектра позволяет увидеть перекрывающиеся сигналы

При быстром обновлении спектральных измерений можно отчетливо увидеть реальную структуру ЛЧМ-сигнала РЛС, как показано в нижней части рисунка 3. Становится видна полная картина передаваемого сигнала: заметны более мелкие паразитные сигналы, как и другие нежелательные сигналы, которые раньше были совершенно не видны. При скорости обновления измерений 48 тыс. спектр./с быстроменяющиеся сигналы становятся видимыми на осциллограмме.

Автоматические измерения параметров сигнала

Необходимо анализировать сигнал как в частной, так и во временной областях. В зависимости от измеряемых параметров, существуют три основных типа автоматических тестов.
1. Измерения в частотной области. Они включают измерения спектра передаваемого сигнала, спектральной мощности основного и соседних каналов, исследование паразитных сигналов, которые могут быть вызваны различными причинами, включая проблемы с программным обеспечением в управляющем компьютере или в генерирующем сигналы DSP.
2. Измерения временных параметров единичного импульса (измерения короткого кадра — Short Frame Measurements). Эти тесты определяют длительность импульса, период следования импульсов, время нарастания и спада и погрешность модуляции.

3. Измерения множественных импульсов (измерения длинного кадра — Long Frame Measurements). Анализ параметрического тренда показывает различия между индивидуальными импульсами, которые могут вызывать ошибки в радиолокационных данных.

Ручные измерения требуют визуального контроля формы сигнала. Современные методы автоматизированных измерений самостоятельно анализируют форму каждого импульса. Вначале определяются моменты начала и окончания импульса, низкий и высокий уровень импульса и несущая частота. Затем измеряются остальные параметры, и составляется таблица результатов измерений.
Таблица статистики сигнала (Pulse Statistics) обеспечивает комбинированный анализ последовательности импульсов, предлагая как отображение тренда результатов измерений, так и БПФ серии полученных данных. Это позволяет анализировать изменения результатов измерений во времени. Например, постоянное увеличение фазы сигнала говорит об отрицательном смещении частоты импульса или может отражать доплеровский сдвиг постоянной скорости в принимаемом сигнале.

Выявление неполадок с помощью анализа тренда измерений

Случайная фазовая или амплитудная модуляция сигналов РЛС может вызывать проблемы при эксплуатации радиолокационного оборудования. Например, выходное напряжение самолетных источников питания, преобразующих 400-Гц переменный ток в высоковольтное постоянное напряжение, может быть недостаточно хорошо отфильтровано от помех. Это может приводить к паразитной модуляции на СВЧ-усилителе мощности, который используется для передачи сигналов РЛС, что приводит к отклонениям амплитуды импульсов с частотой источника переменного тока.

Быстрое определение источника проблемы, в данном случае модуляции источника питания, может быть довольно сложной задачей. Для этого с помощью обычного анализатора спектра следует попытаться уловить низкоуровневую узкополосную модуляцию в широкополосном сигнале. Усовершенствованный метод, использующий построение диаграммы статистики сигнала (Pulse Statistics), способен определить 400-Гц модуляцию в спектре сигнала шириной несколько мегагерц.

Например, при анализе измерений средней активной мощности можно увидеть небольшие отклонения амплитуды от импульса к импульсу. Даже малые отклонения (скажем, 0,2 дБ) могут быть незамечены, пока их не представить в виде тренда. Тогда можно увидеть вариации параметров, которые являются периодическими. Но даже при этом нет возможности легко определить частоту, с которой происходит этот процесс. Лучше всего такого рода процессы наблюдать в частотной области.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 4. Выполнение БПФ на основе результатов измерений, меняющихся во времени

Преобразование данных, изменяющихся во времени, в частотную область позволяет легко определить природу модуляции и предоставляет важнейшую информацию о ее источнике. Спектральное представление позволяет определить, происходит модуляция на одной частоте или на нескольких частотах. Это обеспечивается при выполнении БПФ на основе результатов измерений, меняющихся во времени (см. рис. 4). В этом случае БПФ позволяет увидеть в спектре сигнала 400-Гц модуляцию.

Сжатые импульсы (ЛЧМ-сигналы)

РЛС используют различные виды ЛЧМ. Наиболее широко применяется линейная FM-модуляция. ЛЧМ позволяет использовать сжатие сигнала в цепях обработки приемника, что обеспечивает детальное разрешение по дальности за счет большей длительности передаваемого импульса.

В настоящее время стали доступны автоматизированные методы измерения параметров импульса для ЛЧМ-сигналов. Основным показателем является общая полоса частот ЛЧМ-сигнала. Критичными параметрами являются линейность изменения частоты и, особенно, фазы ЛЧМ. Эти параметры отражают способность РЛС распознавать индивидуальные цели без ложных ответных сигналов, которые могут вызывать неоднозначность определения дальности.

Для того чтобы увидеть и измерить частотную погрешность более точно, предусмотрен специальный тест, который вырезает идеальный ЛЧМ-импульс из осциллограммы отклонения частоты. В результате отображается лишь разность между реальным и идеальным ЛЧМ-сигналом. Кроме того, можно определить числовое значение как пиковой, так и среднеквадратичной погрешности при измерениях параметров импульса.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 5. Осциллограмма погрешности частоты

На рисунке 5 изображена осциллограмма погрешности частоты ЛЧМ-импульса. В данном случае линейность частоты весьма высокая, хотя имеются переходные процессы в начале и конце импульса.

Измерения фазы ЛЧМ-сигнала

Более важным параметром, чем линейность частоты, является линейность фазы сигнала. Для сжатых импульсов важнейшим фактором, определяющим параметры движения цели, является фаза обратного импульса в пределах его длительности; множественные цели в пределах ширины импульса производят множественные отклонения фазы. На осциллограмме отклонения фазы измерительного прибора можно увидеть значения фазы по всей ширине импульса, так что видна параболическая форма фазовых изменений (см. рис. 6, верхняя часть). Такая осциллограмма показывает полный размах изменений фазы в ЛЧМ-импульсе.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 6. Максимальная фазовая погрешность данного ЛЧМ-импульса составляет 19˚

Самым важным показателем является точность соответствия фазы данного ЛЧМ-импульса фазе идеального ЛЧМ-импульса. На нижней осциллограмме рисунка 6 показана погрешность фазы. Ясно видна нелинейность ее изменения (квадратичная погрешность). Заметим, что после вычитания фазы идеального ЛЧМ-импульса пиковая погрешность составляет 19˚ из общей фазы ЛЧМ-сигнала равной 4959˚.
Измерения частоты и, в особенности, фазы весьма чувствительны к помехам. Отношение сигнал-шум пропорционально полосе пропускания, в которой производятся измерения. Следовательно, при захвате сиг-нала в широкой полосе пропускания пользователь

может выбрать более узкополосный фильтр для обработки сигнала так, чтобы уменьшить помехи на осциллограмме.

Измерения параметров последовательности импульсов

Измерения отклонений параметров одного импульса относительно другого позволяет исследовать модуляцию передаваемого сигнала, которая может вызывать погрешности в работе приемника РЛС. Сравнительные измерения фазы или амплитуды импульсов можно запрограммировать для любого выбранного времени в пределах длительности импульса.

Сигналы с псевдослучайной перестройкой частоты

Некоторые РЛС могут использовать другие формы сжатия импульсов. Для обработки ЛЧМ-сигналов обычно требуются производительные DSP. Сравнительно простую схему приемника можно построить с использованием набора ПАВ-фильтров, каждый из которых настроен на определенную частоту. Передатчик с псевдослучайной перестройкой частоты (ППРЧ) является идеальным передатчиком для работы с простыми приемниками. Частота каждого передаваемого импульса перестраивается в соответствии с частотами ПАВ-фильтров приемника. Дальнейшим развитием этого метода явилось использование полностью случайной последовательности частот, что затрудняет анализ параметров РЛС и предотвращает возможность постановки помех работающей РЛС.

Измерения параметров импульса РЛС с множественной перестройкой частоты в пределах каждого импульса требуют широкополосной аппаратуры. Спектрограммы на рисунке 7 показывают изменение частотного спектра во времени с одновременным отображением вариаций амплитуды импульса (выделены красным цветом).

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 7. Перестройка частоты в пределах импульса (слева – линейная, справа – случайная)

На рисунке показан импульс длительностью 7 мкс с линейной перестройкой частоты с шагом 1 мкс. Общая ширина полосы частот равна 90 МГц. Перекрытие БПФ на спектрограммах показывает, что вариации частоты меняются со временем. На правом экране можно увидеть импульс со случайной перестройкой частоты. Спектрограммы наглядно показывают последовательность перескоков частоты.
Благодаря использованию перекрывающихся процессов БПФ имеется возможность ясно увидеть последовательность перестройки частоты в пределах и значительно более короткого импульса.

Для точных измерений как частотных, так и временных параметров можно использовать маркеры на осциллограмме, отображающей изменение частоты во времени. На ней можно детально увидеть частотную картину, включая переходные процессы из-за перерегулирования передатчика, а также влияние работы фильтров в цепи сигнала. Изменения частоты можно измерить с разрешением до 7 нс на выборку при ширине полосы 110 МГц, используя синфазные и сдвинутые на 90° значения.

Сигнал с очень широкой полосой

На осциллографе можно установить также некоторые из программных средств, используемых для специализированных измерений параметров импульсов в РЧ-области. Это позволяет расширить измеряемую ширину полосы сигнала до 20 ГГц.

Несмотря на то, что этот метод не работает в режиме реального времени при использовании быстродействующего процессора, он обеспечивает чрезвычайно широкую полосу измерений. При этом возможен также экспорт захваченных данных (как в случае с РЧ-анализатором спектра) для дальнейшего анализа с помощью внешнего программного инструмента, например Matlab®.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 8. Представление результатов измерений в виде таблицы на осциллографе

На рисунке 8 представлены результаты измерений ЛЧМ-сигнала с полосой 2 ГГц в виде таблицы. Программные средства способны оптимизировать измеренный спектр точно по ширине одного их захваченных импульсов, как показано на нижнем экране рисунка 9.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 9. Спектр 2-ГГц ЛЧМ-сигнала

Выбор подходящего оборудования

Выбор измерительного оборудования определяется предельными параметрами измеряемого сигнала. В таблице 1 представлены некоторые общие требования к измерениям и необходимые для их выполнения приборы.

Параметр

Анализатор спектра

Осциллограф

Широкая полоса пропускания

 

×

Большой динамический диапазон (больше разрядов)

×

 

Длительное время записи

×

 

Анализ модуляции

×

 

Очень короткое время нарастания импульса

 

×

Очень короткая длительность импульса

 

×

Анализ спектра сигнала

×

 

Анализ тенденции изменения параметра

×

 


В заключение следует отметить, что производители тестового оборудования стремятся постоянно удовлетворять требования разработчиков радиолокационных систем. Для усовершенствованных РЛС с ЛЧМ-сигналом доступны разнообразные специализированные тесты.

Литература

1. Measuring Modern Frequency Chirp Radars, Tom Hill//www.tek­tronix.com/radar



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Том Хилл (Tom Hill), ведущий инженер, Tektronix



Комментарии

1 / 1
1

129 апреля, 09:57

Прекрасная статья. Близко пересекается с обоснованием проекта AntenNet (рассредоточенная радиомониторная система на основе коммерческого эфира...), разработанного одноименным Инженерным Агентством (Днепропетровск) в 2001-2004 г.

1 / 1
1

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты