利用频谱分析仪加速脉冲信号分析

2015-07-16 09:49:19来源: dzsc
  雷达系统中采用的脉冲信号难以定性分析,这是因为脉冲宽度和脉冲重复频率不是常数,并在很大程度上依赖于雷达的模式,其有力地阻止了采用射频功率计作为工具,通过平均功率来计算脉冲信号的峰值功率。此外,必须测量许多参数才能有效地表征脉冲信号,包括峰值和平均功率、脉冲波形及脉冲外形,其中包括了上升时间、下降时间、脉冲宽度和脉冲周期。其他测量包括载波频率、占用频谱、载波占空比、脉冲重复频率和相位噪声。频谱分析仪为工程师提供了测量脉冲宽度、峰值功率、相位噪声,以及许多其他重要参数的最佳解决方案。

考察脉冲信号

  脉冲信号包含了很多跨越广泛频率范围的频谱线(图1)。结果可有三种显示方式,这有赖于脉冲和分辨带宽(RBW)等参数。如果RBW小于频谱线间距,改变它不会改变其测量水平。带宽窄于包络中第一个无效间距(1/脉冲宽度)就可以显示包络频谱。最后,如果带宽宽于无效间距,带宽内的整个频谱下降,这意味着该信号的频谱无法显示。随着带宽的进一步增加,响应接近脉冲的时域函数。依靠脉冲参数,还可以计算出脉冲降敏因子,这减少了频谱分析仪脉冲带宽内的测量水平。在这种情况下,标记读数加上降敏因子等于峰值功率。

  RBW值对脉冲信号的测量很重要,这是因为在测量水平上RBW的改变产生变化。脉冲降敏因子取决于脉冲参数和RBW,如果带宽大于频谱线的间距,所测得的幅度依赖于带宽和总信号带宽内的频谱线数目。仪器中的滤波器形状决定着RBW校正因子,这是因为带宽的形状反映了滤波器带宽内的功率。如果RBW太宽,频谱线或包络频谱变成时域谱,并且RBW滤波器的脉冲响应变得很明显。

  在时域使用频谱分析仪,就有可能获得脉冲宽度的直接测量。峰值标记允许峰值功率的测量,而增量标记允许参数的测量,例如上升时间、下降时间、脉冲重复间隔及过冲。通过宽RBW和视频带宽(VBW),频谱分析仪可以追踪射频脉冲的包络,以便可以看到脉冲的冲击响应。最高RBW/VBW限制了频谱分析仪测量窄脉冲的能力,并且通用规则长期以来一直认为最短的脉冲是可测的,其脉冲宽度应大于或等于2/RBW 。

  雷达系统通常在射频脉冲内采用调制。了解这种调制的功率特性很重要,这是因为雷达范围受到脉冲内可获得功率的限制。反过来说,更长的脉冲长度将导致有限的分辨率。调制制式可能的范围从简单的FM(调频)到复杂的数字调制制式,其可以支持现代频谱分析仪。频谱分析仪也可以测量传统的模拟调制脉冲(AM、FM、相位调制) 。此外,其还可以执行分析功能,这涉及许多数字调制制式的解调制,如射频脉冲内的巴克码BPSK调制、脉冲到脉冲的相位测量等。

脉冲功率测量和探测器

  在雷达发射机中,测试输出功率是一个重要的测量,并且可以采用几种不同类型的测量。平均功率通常采用功率计作为均值功率测量。另一个重要的值是峰值功率,且如果脉冲重复频率(PRF)和脉冲宽度已知,就可以计算出所测到的平均功率。

  在频谱分析仪上采用光扫描CRT显示器(或LCD)来显示时域信号波形。这些显示器中的象素数目,在振幅轴以及在时间(或频率)轴是有限的。这导致幅度和频率或时间的有限分辨率。为了显示扫描到的全部测量数据,探测器被用来将数据采样压缩到显示像素许可的数量。

  对于峰值功率的测量,频谱分析仪具有峰值检测器,其可以显示某个给定测量区间内的最高功率峰值。然而,对于调幅信号的平均功耗测量,如脉冲调制信号,频谱分析仪中的峰值探测器是不适合的,这是因为峰值电压与信号功率无关。然而,这些仪器也提供了抽样探测器或rms探测器。

  抽样探测器每个测量点检查包络电压一次,并显示结果,但这可能引起信号信息的总损耗,这是因为可在屏幕x轴上获得的像素数量是有限的。rms探测器在ADC的全采样率下采样包络信号,并且单个像素范围内的所有采样被用于rms功率的计算。因此,rns探测器显示了比抽样检测器更多的测量样本。

  通过将功率计算公式用于所有样本,每个像素都代表了rms探测器测量的频谱功率。对于高重复性,可以通过扫描时间来控制每个象素的样本数量。越长的扫描时间,时间间隔上每个像素的功率积分也随之增加。在脉冲信号下,可重复性依赖于像素内的脉冲数量。对平滑部分,稳定的rms追踪结果,扫描时间必须设为足够长的值,以便在一个像素内捕捉几个脉冲。rms探测器计算所有样本的rms值,这由屏幕上的一个单一像素来线性地代表。

  为了精确测量脉冲调制信号的峰值和均值功率,该仪器的IF带宽和ADC转换器的采样率必须足够高,以便其不会影响脉冲的形状。例如,罗德与施瓦茨(R&S)公司的FSP频谱分析仪中可以获得10MHz分辨带宽和32MHz采样率,在脉冲宽度窄至500ns的高精度下测量脉冲调制信号是可能的。

测试设备实例

  对本文中的测量例子,R&S SMU信号发生器被用于创建模拟雷达信号,并且输出信号是AM调制射频载波。利用任意波形发生器来产生宽带AM调制,以创建一个具有500 ns脉冲宽度和1kHz PRF的脉冲序列。脉冲水平随时间变化,来模拟长期平均功率测量的天线旋转效果。

  对于测量峰值功率,频谱分析仪必须设为足够宽的RBW和VBW以便在脉冲宽度内稳定。在这种测量中,RBW和VBW设为10MHz。频谱分析仪设到零跨度,并显示功率随时间的变化。扫描时间设为允许探测单一脉冲的值。频谱分析仪采用视频触发来显示稳定的脉冲形状显示。脉冲宽度被改变,并且采用100ns、200ns和500ns的脉冲宽度来绘制三个测量结果,从而研究分辨滤波器稳定时间带来的影响。

  蓝色虚线是采用500 ns脉冲宽度测量的,并在脉冲顶部显示出一个平坦响应。绿色虚线是采用200 ns脉冲宽度测量的。此值等于计算得到的稳定时间。该测量中的峰值水平刚刚达到500 ns脉冲的实测值。标记1(T2)被设为峰值,显示为9.97dBm。该脉冲宽度是10MHz分辨带宽下可以准确测量的最小值。红色实线是采用100ns脉冲宽度测得的,其短于分解滤波器的稳定时间。在该图中,增量标记读数“Delta 2 (T3)”设定为峰值,并显示出对归一化脉冲水平大约3dB的损耗。

  下一步就是脉冲宽度的测量,这通常被定义为信号水平在通过其脉冲长度平均电压50%的点(图3)。在通常用于频谱分析仪的对数级网格中,该点低于峰值水平6dB。对于脉冲宽度测量,标记设为在上升沿低于平均脉冲功率6dB,并且增量标记被放在脉冲下降沿低于平均功率6dB的点。

  在这种情况下的增量标记水平读数应为0dB。由于有限的测量点分辨率,小的水平差异也必须予以接受。在这种测量中,增量标记读数“Delta 2 (T1)”显示出508 ns的脉冲宽度。该测量精度受到ADC转换器采样率的影响,其定义了轨迹内的位置,在该处可以获得实测值。在这些点之间,这些轨迹数据通过插值来生成轨迹的显示点。ADC转换器的采样率是32MHz,从而导致测量采样间隔为31.25ns。

  雷达发射机的输出信号脉冲调制分布在广泛的带宽内,其可以视为著名的(sin (x))/x频谱形状的频谱分析仪。单个谱线不容许直接计算峰值或平均功率。不了解如脉冲宽度或PRF等调制参数,功率的计算是不可能的。对于信道功率测量,最现代的频谱分析仪提供给定信道内功率的计算软件程序。通过整合功率,这些程序计算出功率,这些功率由信道带宽频率范围内所显示的轨迹像素来代表。

  测量平均功率需要rms探测器。当评价雷达信号时,在几个旁瓣上积分允许计算平均功率,这是因为大部分能量被包含在(sin (x))/x频谱的主瓣和邻近的旁瓣内。通过采用足够宽的信道带宽来捕获信号的主瓣和几个旁瓣,可以测量平均功率。

  信道功率测量的测量结果。该信道带宽被设为10MHz,来捕捉主瓣和相邻的旁瓣。50MHz信道带宽同样的测量捕获了多于每边10个旁瓣(图5)。-23.01dBm信道功率的测量结果适合计算脉冲信号的平均功率。即使10MHz的测量也显示出与目标值良好的一致性,这是因为大部分的功率集中在主瓣和第一相邻的旁瓣。这一测量平均功率的方法,脉冲调制参数的知识是不必要的,并且具有不断变化的脉冲参数的脉冲信号是可用的。

频谱分析仪助力设计师

  现代频谱分析仪非常适合于各种用于雷达系统的脉冲信号的功率测量。然而,脉冲和调制脉冲信号的独特性能使得了解如何有效利用频谱分析仪的特点变得重要。具有这方面的知识,这些仪器能够提供脉冲信号特性的完整图像,其可以帮助设计师优化雷达系统的性能。

关键字:频谱分析仪  脉冲信号

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0716/article_12351.html
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