Задействование функции быстрого Преобразования Фурье при анализе импульсов РЛС. Часть 3

Выборки входного сигнала по времени, собираемые анализатором, делаются с частотой, по меньшей мере вдвое превышающей исследуемую частоту (частоту Найквиста), во избежание проявления наложения сигналов.
Выборки по времени группируются в кадры данных. Каждый кадр содержит набор данных, необходимый для выполнения БПФ.
Поскольку на краях кадра данные не продолжаются, как в исходном дискретизированном сигнале до образования кадра, появляется искусственный разрыв. При переходе из временной области в частотную этот разрыв вызывает расширение спектра. Фактически сам кадр становится своеобразным «импульсом». Чтобы свести к минимуму влияние этих разрывов, амплитуда данных выборки по времени масштабируется с помощью функции окна, причем на краях кадра амплитуда выборки уменьшается до нуля. В анализаторе спектра в реальном времени применяются различные широко известные функции окна, например окна Хеннинга, Хэмминга, Блэкмена, Блэкмена-Харриса, Парзена, Уэлша и другие.
После масштабирования данных кадра функцией окна вычисляется БПФ; в результате данные преобразуются из представления амплитуда-время в представление амплитуда-частота. При БПФ выполняются вычисления с данными для определения амплитуды каждой частотной составляющей или «группы».

Рис.12 Использование функции окна БПФ позволяет устранить краевые эффекты, вызванные разрывами при обрезании сигнала по краям временного интервала

При выполнении БПФ предполагается, что в пределах кадра данных сигнал непрерывен. Разрывы или импульсы длиной менее одного кадра могут вызвать ошибки в отображении амплитуды или спектра. Сигналы продолжительностью менее полной длины кадра отображаются с пропорциональным уменьшением амплитуды по сравнению с сигналами, занимающими весь кадр. Это явления затрудняет анализ радиолокационных импульсов. Что еще хуже, нестационарные импульсы, попавшие на край кадра, подвергаются дополнительному уменьшению амплитуды и даже полностью подавляются функцией окна. В результате могут возникнуть значительные ошибки измерения.
Самые точные результаты БПФ для импульсных сигналов достигаются в тех случаях, когда середина импульса совпадает с центром кадра, а длительность импульса примерно равна длине кадра. Фактически при этом данные импульсного сигнала становятся больше похожими на данные непрерывного сигнала.
В режиме «спектр импульса» анализатор RSA3408A автоматически центрирует импульс в кадре, чтобы уменьшить погрешности измерения. Но если длительность импульса, меньше полной длины кадра, импульс отображается с уменьшенной амплитудой. Однако при правильном центрировании импульса предотвращается появление ошибок, вносимых функцией окна. Эта функция, имеющаяся только в анализаторах спектра в реальном масштабе времени, предназначена для повышения точности измерения радиолокационных сигналов. Кроме того, она действует в реальном времени, что позволяет устранить известную проблему, связанную с тем, что при каждой выборке отображаются разные части спектра для импульсов, находящихся в пределах 36-МГц полосы пропускания анализатора RSA3408A в реальном масштабе времени. Кроме того, анализатор спектра в реальном масштабе времени позволяет пользователю определять окно БПФ с целью дальнейшего повышения качества измерений.
В анализаторе спектра в реальном масштабе времени имеется возможность перекрытия кадров БПФ, что позволяет рассматривать детали спектра, не выявляемые анализаторами, не оптимизированными для обработки нестационарных сигналов.

Рис.13 В процедуре БПФ предполагается, что сигнал в кадре является непрерывным. Большие различия в амплитуде сигнала в кадре и масштабирование функцией окна могут привести к ошибкам амплитуды. Некоторых из этих ошибок можно избежать, поместив импульс в середине окна, как это делается в анализаторе спектра в реальном масштабе времени

К сожалению, узкие радиолокационные импульсы часто целиком умещаются в одной линии данных спектрограммы. Это существенно затрудняет интерпретацию полезной информации, содержащейся в обычной спектрограмме радиолокационного сигнала.
Анализатор спектра в реальном масштабе времени позволяет разделить избыточные наложенные кадры БПФ. Это создает эффект, аналогичный растяжению спектрограммы во времени и позволяет более детально отображать сигнал. БПФ с перекрытием может быть отчасти полезно в операциях электронной разведки, когда важнее всего быстро расшифровать природу радиолокационных импульсов. Например, в военно-морском флоте требуется быстро определять, принадлежит ли радиочастотный импульсный сигнал радиолокатору наведения ракетной установки или это дальнодействующий радиолокатор со сжатием импульсов, позволяющим устранить неоднозначность по дальности. БПФ с перекрытием позволяет быстро обеспечить визуальное распознавание радиолокационных импульсов.

Рис.14 Аналоговый входной сигнал регистрируется в виде записи с дискретизацией по времени. Затем запись анализируется и распределяется по кадрам, состоящим из 1024 отсчетов, для перевода в частотную область с помощью БПФ.В анализаторе спектра в реальном масштабе времени предусмотрена возможность наложения кадров с целью создания дополнительных кривых БПФ для более подробного анализа

Рис.15 На обычной спектрограмме зачастую отображается недостаточно подробностей. БПФ с перекрытием позволяет растянуть временную шкалу для просмотра таких характеристик, которые большинству инженеров видеть не приходилось

Аналогичным образом БПФ с перекрытием позволяет улучшить вид спектра на экране, поскольку информация, содержащаяся в импульсе, проходит через ряд перекрывающихся кадров. Благодаря перекрытию кадров, отображение спектра сглаживается, улучшается детализация и плавность воспроизведения. Кроме того, при работе с перекрытием импульс занимает разные места в кадре, что обеспечивает правильное представление амплитуд спектра и позволяет избежать неправильной интерпретации, связанной с влиянием окна при неудачном расположении единственного кадра.
Следует заметить, что, как показано на рис. 16, в этом случае из-за БПФ с перекрытием отдельные последовательные события сигнала выглядят растянутыми во времени, и кажутся в значительной степени совмещенными. Возможность растяжения во времени позволяет существенно улучшить отображение кратковременных нестационарных процессов, так как они также растягиваются или накладываются во времени.

Рис.16 БПФ с перекрытием обеспечивает высокую наглядность представления импульсов РЛС со скачкообразной перестройкой частоты

Рис.17 Анализатор спектра в реальном масштабе времени исследует спектр сигнала местного гетеродина для выявления потенциальных паразитных сигналов в диапазоне 15 МГц

В анализаторах спектра в реальном масштабе времени имеется еще одна функция, позволяющая улучшить отображение — масштабирование. При записи сигналов зачастую выгодно использовать возможно более широкий диапазон частот. Это позволяет пользователю просматривать проблемные сигналы в более широком спектре.
Поскольку количество пикселов экрана по горизонтали ограничено, полоса шумов каждого отсчета БПФ или частотной составляющей устанавливается в соответствии с имеющимся количеством пикселов. Например, если для диапазона частот 15 МГц имеется 600 спектральных составляющих, ширина каждого частотного отсчета БПФ составляет 25 кГц.
Эта величина эквивалентна разрешению частотного маркера. В вертикальной ориентации (см. рис.17) возможно отображение 300 частотных отсчетов с разрешением 50,109 кГц.
Точная величина полосы шумов зависит от типа окна и настройки частотного диапазона анализатора спектра в реальном масштабе времени. Если выбрано окно Блэкмена-Харриса 4B, ширина полосы шумов вдвое превосходит ширину частотного отсчета.
Зачастую желательно вести поиск сигналов в расширенном диапазоне, однако при этом увеличивается ширина полосы шумов и возрастает минимальный уровень шумов на экране спектра, поскольку суммарная мощность сигнала, поступающего на детектор, увеличивается. При этом уменьшается возможность просмотра
сигналов низкого уровня с помощью анализатора.
Для выявления паразитных сигналов, которые могут оказаться скрытыми в широком частотном диапазоне, в анализаторах спектра в реальном масштабе времени имеется удобная функция масштабирования спектрограммы. Функция масштабирования включается перетаскиванием указателя по интересующей части спектрограммы.
Диапазон частот, центральная частота и полоса шумов автоматически настраиваются так, чтобы обеспечить детальное отображение связанного с ними спектра. Поскольку в режиме масштабирования используется только часть диапазона частот, полоса шумов становится уже, вследствие чего снижается отображаемый
усредненный уровень шумов анализатора. Функция масштабирования позволяет быстро исследовать строение спектрограммы с максимальным возможным разрешением анализатора, не прибегая к повторной выборке сигнала.

Рис.18 Масштабирование спектрограммы — уникальная функция анализатора спектра в реальном масштабе времени, которая позволяет сэкономить время, поскольку автоматически настраивает диапазон частот, центральную частоту и ширину полосы шумов для максимально подробного отображения сигнала

Способность анализатора спектра в реальном масштабе времени непрерывно захватывать данные и с помощью цифровой обработки преобразовывать их с не имеющим аналогов уровнем детализации позволяет получить исходный материал для быстрых и подробных исследований. Высокий уровень детализации — только часть возможностей этого мощного средства диагностики; большое значение имеет и способность определения характеристик отображаемого сигнала.

Анализ радиолокационных сигналов

Благодаря новейшему программному пакету для измерения импульсных сигналов, входящий в состав анализатора спектра в реальном
масштабе времени и средствам синхронного отображения в нескольких областях обеспечиваются лучшие в отрасли возможности анализа радиолокационного сигнала.
В пакет для измерения импульсных сигналов входят разнообразные средства автоматизированных измерений, предназначенные для определения характеристик
радиолокационных сигналов. Измерительное программное обеспечение делает анализ радиолокационных сигналов таким же быстрым и удобным, каким давно уже стало обращение со многими массовыми потребительскими радиоустройствами. Кроме того, оно дешевле специализированных анализаторов импульсов военного образца, предназначенных для электронной разведки.
Благодаря применению средств синхронного отображения в нескольких областях обеспечивается быстрое определение характеристик отдельных импульсов. Анализатор спектра с обработкой в реальном времени, оснащенный пакетом для измерения импульсных сигналов, может заменить некоторые из обычных средств измерения. Чтобы проиллюстрировать возможности пакета для измерения импульсных сигналов, рассмотрим для начала простое измерение некоторых типичных характеристик импульса, упомянутых в данной инструкции по применению.
Чтобы выполнить основные измерения импульсных сигналов на анализаторе RSA3408A, переведите его в режим Time (Время) и выберите нужное измерение с помощью программируемой экранной кнопки. Чтобы активировать нужные измерения импульсных сигналов, следует нажать клавишу View Define (Задать представление), а затем — экранную кнопку Display Measurements (Вывод измерений).
Анализатор спектра в реальном масштабе времени позволяет производить, с отображением результата в графическом виде, измерения длительности импульса, пиковой мощности, соотношения импульса и паузы, пульсации импульса, интервала повторения импульсов, скважности, фазы между импульсами, мощности канала, занимаемой полосы частот, эффективной полосы частот и девиации частоты.
Поскольку в одной записи может быть захвачено несколько импульсов, анализатор спектра в реальном масштабе времени автоматически проводит измерение каждого импульса, присваивает ему номер и выводит на экран таблицу результатов измерений. В анализаторе спектра в реальном масштабе времени имеются средства синхронного отображения. При выборе импульса в таблице он автоматически помечается маркером на осциллограмме изменения мощности по времени. Аналогичные маркеры соответствуют на обзорной спектрограмме номерам импульсов, с которыми связаны особенности спектрограммы.

Рис.19 Пакет для измерения импульсных сигналов, поставляемый в комплекте с анализатором спектра RSA3408A, может использоваться для автоматического выполнения распространенных измерений параметров импульсов

Рис.20 Пакет для измерения импульсных сигналов обеспечивает представление данных как в табличном, так и в графическом виде

Пакет для измерения импульсных сигналов не только предоставляет табличные данные для всех измерений импульсов, но и обеспечивает графическое представление. Графическое представление помогает провести углубленную диагностику путем выявления трендов. Например, возможен дрейф частоты передатчика радиолокатора по мере его прогрева. В помощью клавиш View Select (Выбрать представление) и View Define (Задать представление) можно отобразить в графическом виде измерения частоты для каждого импульса и обнаружить дрейф по нескольким импульсам. Такие измерения могут не только помочь конструкторам и изготовителям радиолокаторов, но и предоставить ценную информацию специалисту по электронной войне или электронной разведке. Подробный анализ трендов сигнала может подтвердить сведения о типе исследуемого излучателя.

Продолжение следует...

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик Анализаторов Спектра в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/analizatory-radiochastotnogo-spektra