3 способа генерации радиолокационных сигналов с помощью генераторов сигналов произвольной формы

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик генераторов сигналов в Украине: 
https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/generatory

Качества радиолокационных сигналов изначально затрудняют их воспроизведение с помощью генератора сигналов. Сочетание несущей частоты, полосы модуляции и, в большинстве случаев, импульсный характер сигнала создают ряд требований, которые трудно удовлетворить существующим приборам. Возрастающая сложность радиолокационных систем, растущее использование сложных методов модуляции, таких как коды Баркера, полифазные коды, линейная частотная модуляция (ЛЧМ) и другие методы модуляции со сверхширокой полосой пропускания (СШП), в сочетании с требованиями к качеству сигнала для успешного тестирования накладывают серьёзные ограничения на оборудование для тестирования радиолокационных систем. Необходимость эмуляции многоантенных радиолокационных систем на основе фазированных антенных решёток или, в последнее время, архитектур MIMO, обусловливает необходимость генерации множества сигналов с чётко контролируемой синхронизацией и фазовой синхронизацией. Эти же требования применимы не только к современным радиолокационным системам: методы, обсуждаемые в этой статье, применимы также к широкополосной связи со скачкообразной перестройкой частоты или к любым радиочастотным сигналам, для которых важны полоса пропускания, сложность модуляции и качество сигнала.

Традиционно генерация радиолокационных сигналов осуществлялась с помощью генератора сигналов основной полосы и ВЧ/мкВт модулятора, иногда интегрированных в одно устройство. Исторически это было необходимо, поскольку генераторы ВЧ-сигналов не обладали достаточной полосой пропускания для выдачи полностью сформированного радиолокационного сигнала. Высокопроизводительные  генераторы сигналов произвольной формы (AWG) всё чаще  используются благодаря многочисленным преимуществам, которые они предоставляют.

Современные генераторы сигналов произвольной формы (AWG) предлагают частоты дискретизации, позволяющие генерировать радиочастотные сигналы напрямую, без использования отдельного радиочастотного модулятора. Это означает, что эффективная полоса модуляции простирается от постоянного тока до половины частоты дискретизации AWG (в некоторых случаях от постоянного тока до 20 ГГц). Без ограничений полосы модуляции один канал AWG может использоваться для одновременной имитации нескольких источников радиочастотного излучения путем математического объединения их радиочастотных сигналов. Генераторы сигналов произвольной формы также предлагают  секвенсор , позволяющий объединять несколько сигналов с помощью циклов и разветвлений. Правильное использование секвенсора позволяет воссоздавать сложные сценарии, такие как радиочастотные отражения и системы опознавания «свой-чужой» или «твердотельный резонанс», не занимая при этом значительного объема памяти для хранения сигналов. Кроме того, доступно множество  программных пакетов, упрощающих создание сложных сигналов, необходимых для  испытаний радаров  и  систем радиоэлектронной борьбы.

Генерация радиолокационных сигналов с помощью генераторов произвольных волн

Генераторы сигналов радиолокационных станций могут генерировать сигналы радаров тремя основными способами:

1. Генерация основной полосы: генератор сигналов произвольной формы генерирует сигнал во временной области для подачи на  ВЧ/мкВт модулятор . Этот метод эквивалентен традиционному методу генерации сигналов. Для простых сигналов, где импульсы генерируются путем управления огибающей несущей, одноканальный выход генератора сигналов произвольной формы подается на амплитудный модулятор (АМ). Для более сложных сигналов, требующих сложной цифровой модуляции или линейной частотной модуляции (ЛЧМ) (т. е. чирпов), необходимо управлять как амплитудой, так и фазой несущей. В этом случае необходимо использовать квадратурный модулятор. Для этого требуются два сигнала основной полосы: синфазная (или I) и квадратурная (или Q) составляющие, как показано на рисунке 1. Эти  два сигнала основной полосы  могут быть сгенерированы генератором сигналов произвольной формы с двумя каналами или двумя синхронизированными одноканальными генераторами сигналов произвольной формы.

Рисунок 1. Генератор сигналов произвольной формы (AWG) может использоваться для вывода сигналов I и Q, которые затем настраиваются квадратурным модулятором. Частота дискретизации здесь зависит от полосы модуляции, которая контролируется самим модулятором.                                                                                                                                                                                         

2. Генерация промежуточной частоты (ПЧ): генератор сигналов произвольной формы (AWG) генерирует готовый к использованию модулированный сигнал на относительно низкой несущей частоте. Часто сигнал можно напрямую подать на блок обработки сигнала в приёмнике или передатчике. В ситуациях, когда требуется конечная частота ВЧ/мкВт, необходимо использовать повышающий преобразователь для достижения конечной несущей частоты.                                                                                         

3. Прямая генерация ВЧ: генератор произвольной формы сигнала (AWG) генерирует модулированную несущую на конечной частоте ВЧ/мкВт. Никаких дополнительных блоков обработки сигнала, кроме обычных фильтров или усилителей, не требуется, как показано на рисунке 2. Здесь следует учитывать, в какой полосе Найквиста вы хотите работать. В первой полосе Найквиста используется фильтр нижних частот с частотой среза, равной половине частоты дискретизации генератора произвольной формы (AWG) (частота Найквиста). Требуемая частота дискретизации генератора произвольной формы зависит как от несущей частоты, так и от полосы модуляции, поскольку выводится полный ВЧ-сигнал. Вместо этого вас может заинтересовать изображение радиолокационного сигнала, расположенное на более высоких частотах второй полосы Найквиста, которая варьируется от половины частоты дискретизации генератора произвольной формы до самой частоты дискретизации. В этом случае следует использовать полосовой фильтр, а частота дискретизации генератора произвольной формы (AWG) не обязательно должна быть такой высокой. Однако амплитуда сигнала, частотная характеристика генератора произвольной формы и полоса модуляции будут представлять собой более важные вопросы.

Рисунок 2. Методы прямой генерации радиочастотного сигнала с помощью генератора произвольной формы (AWG). Вверху показана схема для генерации первой полосы Найквиста с фильтром нижних частот. Ниже показана схема для генерации второй полосы Найквиста, определяемая использованием полосового фильтра.

Преимущества и недостатки

Каждый из этих методов имеет свои плюсы и минусы. Генерация основной полосы и ПЧ может быть реализована только с помощью генераторов сигналов произвольной формы (AWG) средней производительности. Для большинства сигналов достаточно частоты дискретизации в несколько Гвыб/с. Однако в обоих случаях полоса модуляции конечного ВЧ/мкВт сигнала будет ограничена характеристиками используемого модулятора или повышающего преобразователя. Например, коммерчески доступные квадратурные модуляторы приборного уровня способны генерировать сигналы с полосой пропускания до 2 ГГц, но этого может быть недостаточно для некоторых радиолокационных применений. Хуже того, широкополосная квадратурная модуляция чрезвычайно чувствительна к дисбалансу I/Q или квадратурным ошибкам, что усугубляется разделением системы на несколько приборов. Для получения сигналов надлежащего качества требуется точная настройка после тщательной калибровки. 

Прямая генерация сигнала обеспечивает более простую настройку без вероятности ошибок из-за дисбаланса I/Q или квадратурных ошибок. Но этот метод требует чрезвычайно быстрого AWG, частота дискретизации которого как минимум в 2,5 раза выше максимальной частотной составляющей сигнала. Это оставляет место для фильтра нижних частот и обеспечивает целостность сигнала. Вы также можете столкнуться с проблемами глубины памяти в вашем AWG, хотя их можно смягчить с помощью секвенсирования  . Более высокая частота дискретизации съедает память длины записи, поэтому требуется обширная память формы сигнала в несколько GS или более. Другим важным преимуществом является то, что для генерации радиолокационного сигнала требуется только один канал AWG. Это эквивалентно экономии средств и позволяет одному многоканальному AWG генерировать несколько разнородных несущих или широкополосный шум для реалистичного тестирования.

Традиционно получение сигналов хорошего качества с динамическим диапазоном, свободным от паразитных составляющих (SFDR), было затруднено с помощью сверхскоростных генераторов сигналов произвольной формы из-за ограниченного разрешения их ЦАП (6 бит). Однако последнее поколение высокоскоростных генераторов сигналов произвольной формы Tektronix  серии AWG70000B обеспечивает 10-битное вертикальное разрешение со скоростью до 50 Гвыб/с, открывая путь к качественной прямой генерации ВЧ-сигналов за пределами  Ku-диапазона  (12–18 ГГц) вплоть до 20 ГГц. Максимальная длина записи 32 Гвыб позволяет воспроизводить ВЧ-сигналы полной длины.