Завершая часть сложной темы. Общие понятия изложены и должны быть понятны. Часть 4

Анализ нескольких импульсов

Анализатор спектра в реальном масштабе времени можно также применить для измерения нескольких импульсов. Одним из примеров может послужить парный импульс, который обычно используется для проверки характеристик радиолокационных приемников. Два близких импульса (парный импульс) имитируют эхо-сигнал от двух близко расположенных целей. Парные импульсы хорошо подходят для проверки разрешающей способности радиолокационных приемников. Генераторы сигналов, например AWG710B, вырабатывают парные импульсы с различными параметрами для проверки радиолокационных приемников. 
Источник сигналов AWG710B обеспечивает частоту выборки 4,2 Гвыб/с при разрешении восемь бит, что позволяет достигнуть скорости и качества сигналов на уровне мировых образцов. Высокая частота выборки позволяет осуществлять прямой ввод сигнала в порты промежуточной частоты многих радиолокационных систем и средств электронной войны и электронной разведки, рассчитанные на частоту 1,0 ГГц. Кроме того, в источнике сигнала AWG710B имеется интерфейс графического формирователя сигнала и формирователь последовательности. Эти средства позволяют быстро создаватьсложные испытательные сигналы для радиолокаторов и средств электронной войны.

Рис.21 Прибор AWG710B может использоваться для генерации сложных радиолокационных сигналов, предназначенных для наблюдения и измерения с помощью анализатора спектра RSA3408A

Рис.22 Относительное движение объектов является причиной доплеровского сдвига в эхо-импульсах радиолокатора; величина сдвига частоты зависит от положения. Разность частот передаваемого и получаемого сигналов можно просмотреть в виде суммарного фазового сдвига

Прибор AWG710B завершает серию средств для испытания радиолокаторов, выпущенных корпорацией Tektronix. Он не только обеспечивает подачу парных импульсов,но и позволяет генерировать сигналы для имитации сложных условий электронной войны. Анализаторы спектра в реальном масштабе времени позволяет проверять параметры парного импульса и наблюдать их ухудшение, вызванное прохождением через приемник. Например, еще один способ применения парных импульсов для диагностики — измерение фазового сдвига между импульсами, проходящими через приемник. В некоторых радиолокационных приемниках фазовый сдвиг используется для измерения скорости цели.
При движении цели возникает доплеровский сдвиг частоты между излучаемым и принимаемым импульсами. Доплеровский сдвиг можно рассматривать как накопленный фазовый сдвиг между излучаемым и принимаемым сигналами. Периодические измерения фазового сдвига между излучаемой и принимаемой частотами позволяют быстро определить относительную скорость.
Таким образом, для точного измерения скорости необходимо поддерживать стабильность фазового сдвига в приемнике при изменении амплитуды эхо- сигнала. К сожалению, многие компоненты цепей радиолокационного приемника проявляют нелинейные свойства, приводящие, например, к преобразованию амплитудной модуляции в фазовую (АМ/ФМ), что может создать нежелательные фазовые сдвиги при изменении амплитуды эхо-сигнала. Эти нежелательные фазовые сдвиги интерпретируются как погрешности измерения скорости. Порядок определения фазовой стабильности приемника с помощью анализатора спектра в реальном масштабе времени достаточно прост. Сначала приемник радиолокатора имитируется когерентным парным импульсом различной амплитуды, подаваемым с генератора сигналов AWG710B. Затем наблюдается разность фаз между двумя импульсами на выходе цепей приемника. В режиме отображения фазовой демодуляции, выбираемом в меню демодуляции, на анализаторе RSA3408A отображается графическая зависимость фазы каждого импульса от времени. Разность фаз для неподвижной цели должна равняться нулю в широком диапазоне амплитуд парного импульса. При недостаточной фазовой стабильности может потребоваться применение компонентов с более широким динамическим диапазоном.

Анализ сжатия импульсов

Для дальнейшей иллюстрации возможностей анализатора спектра в реальном масштабе времени и пакета для измерения импульсных сигналов рассмотрим задачу измерения сжатых радиолокационных импульсов. 
Сжатие радиолокационных импульсов осуществляется путем их модуляции. Сжатие импульсов применяется во многих радиолокаторах для увеличения дальности и улучшения разрешения. Как уже было указано ранее, устанавливается компромисс между улучшением разрешения с помощью укорочения импульсов и увеличением дальности с помощью удлинения импульсов. Сжатие импульсов позволяет одновременно увеличить и дальность и разрешение. Модуляция импульса позволяет разделять перекрывающиеся импульсы. Таким образом, можно использовать более длинные импульсы с большей энергией, не жертвуя разрешением.
Существует много различных схем сжатия импульсов и видов модуляции. Как правило, для сжатия импульсов применяется либо частотная, либо фазовая модуляция, а амплитуда импульса остается неизменной.

Рис.23 Отображение парного импульса во временной, частотной и фазовой областях. Фазовый сдвиг между импульсами может служить показателем нелинейности

Наиболее широко используется линейная частотная модуляция (ЛЧМ) — сигнал с линейной пилообразной модуляцией по частоте. В приемнике эхо-сигналы с ЛЧМ пропускаются через специальный фильтр, задерживающий во времени низкие частоты относительно высоких частот. В результате импульс сжимается, то есть становится короче во времени. Широкие перекрывающиеся импульсы после фильтра разделяются.
При определении характеристик сжатых радиолокационных импульсов добавляется задача демодуляции импульсов. Имеющиеся в анализаторах спектра в реальном масштабе времени средства отображения в нескольких областях позволяют анализировать модуляцию сжатых импульсов наряду с обычными измерениями импульсов. Например, импульс с ЛЧМ можно одновременно просматривать в области отображения изменений мощности во времени, в области частотной модуляции и в режиме измерения импульсного сигнала. Это позволяет без труда проверять линейность ЧМ, длительность импульса, скважность и девиацию частоты. Еще больше упрощает диагностику возможность синхронизированного отображения. Если поместить маркер на один из импульсов, соответствующие маркеры появляются в областях отображения мощности по времени и модуляции.

Рис.24 Сжатие импульсов (модуляция каждого импульса) обеспечивает разделение перекрывающихся эхо-сигналов, что позволяет использовать более широкие импульсы для увеличения дальности действия, а также разделять эхо-сигналы для увеличения разрешения

Аналогичным образом анализатор спектра в реальном масштабе времени позволяет исследовать ступенчатое изменение частоты в пределах импульса. Если выбран режим ЧМ-демодуляции, скачкообразные изменения частоты в пределах импульса становятся ясно видными. Обнаруживается даже незначительный «звон» — в виде переходов системы ФАПЧ на соседнюю частоту. При таком уровне детализации диагностика цепей генерации импульса существенно упрощается.
Анализатор RSA3408A позволяет также анализировать сжатые радиолокационные импульсы с фазовой модуляцией. Для этого достаточно перевести прибор в режим аналоговой демодуляции и выбрать фазовую демодуляцию. Для захвата и записи импульсов в сложной спектральной обстановке устанавливается синхронизация по частотной маске. После записи отображается демодулированный сигнал в виде изменения фазы во времени, на котором просматриваются отдельные переходы. Этот режим имеет большое значение при исследовании многих современных радиолокационных систем, в которых для разделения перекрывающихся импульсов и устранения неоднозначности по дальности применяется двухпозиционная фазовая манипуляция с ортогональным цифровым кодированием.
Существует много сложных схем сжатия импульсов, и анализаторы спектра в реальном масштабе времени обладают достаточной универсальностью, чтобы обеспечить для них нужные измерения. Пакет для измерения импульсных сигналов и средства синхронного анализа в нескольких областях позволяют существенно упростить диагностическую отладку радиолокаторов со сложными сигналами в проектной лаборатории или на заводском испытательном стенде.

Рис.25 Измерения параметров импульсов, сжатых с использованием линейной частотной модуляции, позволяют выявить нелинейность в начале импульса

Кроме того, анализаторы спектра в реальном масштабе времени обеспечивают ряд уникальных преимуществ в случае работы с программируемыми радиолокационными системами.

Исследование и разработка современных радиолокаторов

В новейших радиолокаторах используются некоторые возможности цифровой обработки сигналов. В системах, в которых применяются как аналоговые компоненты, так и средства цифровой обработки сигналов, как правило, возникают типичные проблемы, связанные с объединением программного обеспечения и оборудования. Несмотря на применение сложных средств разработки программного обеспечения, одновременная отладка средств цифровой обработки сигналов, работающих на новом смешанном оборудовании, остается неэффективным процессом. Из-за невозможности испытать программное обеспечение совместно с заведомо исправным радиочастотным оборудованием появляется неуверенность относительно того, связаны ли неполадки с оборудованием или с программным обеспечением. Приборы AWG710B и RSA3408A обеспечивают уникальный способ решения этой проблемы.

Рис.26 Анализатор спектра в реальном масштабе времени используется для измерения импульса РЛС с пятикратным скачкообразным изменением частоты. Маркеры показывают длительность скачков, которая составляет 1,6 мкс

Рис.27 Исследование фазовых переходов величиной 180° в двухфазном модулированном сжатом импульсном сигнале

Генератор AWG710B способен вырабатывать сложные радиолокационные сигналы и функционировать как заведомо исправный источник импульсов малой мощности. Кроме того, он может генерировать такие же сигналы на промежуточной частоте радиолокатора для запуска повышающего преобразователя частоты и усилителя мощности современного радиолокатора. Аналогичным образом анализатор спектра в реальном масштабе времени предоставляет пользователю доступ к выборкам данных I-Q, функционируя как заведомо исправный приемник и преобразователь данных в цифровую форму. На такой виртуальной радиолокационной системе можно испытывать программное обеспечение, причем вопрос о неполадках оборудования не возникает.
Доступ к записям данных I-Q можно получить через порт ЛВС анализатора RSA3408A или непосредственно считывать с аналого-цифрового преобразователя (АЦП) необработанные данные I-Q в реальном масштабе времени с помощью специального дополнительного оборудования. В обоих случаях обеспечивается экспорт данных в программные демодуляторы для подробного анализа и разработки алгоритма.
Таким образом можно даже проверить сложные идеи в области цифровой радиолокации без разработки дорогостоящего оборудования. С помощью генератора произвольных сигналов AWG710B, анализатора RSA3408A и компьютера можно создать экспериментальную радиолокационную систему, ограничившись только разработкой программного обеспечения. Устранение необходимости в проверке радиочастотного оборудования и возможность сосредоточиться только на программном обеспечении позволяет сократить время разработки.
Кроме того, анализатор RSA3408A может функционировать в качестве интерфейсной части пассивных бистатических радиолокаторов. Применение RSA3408A позволяет разработчикам пассивных радиолокаторов сосредоточить усилия на сложный вычислительных проблемах, не теряя драгоценное время на разработку специального радиочастотного оборудования.
Пользователи в военной и коммерческой областях, работающие в условиях высокой секретности, по достоинству оценят тот факт, что для поддержания секретности данных приборы AWG710B и RSA3408A оснащены съемными жесткими дисками.

Заключение

Для определения характеристик сложных радиолокационных сигналов обычно требовались тщательно разработанные испытательные стенды. Нестационарная природа радиолокационных импульсов в сочетании с современными схемами сжатия импульсов может существенно усложнить захват и точный анализ подобных сигналов.
Анализаторы спектра в реальном масштабе времени оптимизированы для обработки таких нестационарных радиолокационных сигналов.
Синхронизация по частотной маске позволяет анализаторам спектра в реальном масштабе времени надежно захватывать радиолокационные импульсы в самой сложной спектральной обстановке, характерной для электронной войны. Функции БПФ с перекрытием, автоматического центрирования импульса в кадре и масштабирования спектрограммы позволяют анализаторам спектра в реальном масштабе времени получать детальные изображения радиолокационных импульсов.
Пакет для измерения импульсных сигналов обеспечивает широкие возможности автоматического определения характеристик импульсов в интересах специалистов по радиолокации, электронным войнам и электронной разведке. Программное обеспечение для измерения импульсов позволяет автоматически выполнять многие типичные измерения и сопрягается со средствами синхронизированного отображения в нескольких областях.
Автоматизация измерений позволяет сократить время настройки, а отображение в нескольких областях обеспечивает углубленную диагностику; таким образом ускоряется отладка радиолокационных систем и обеспечивается надежность принимаемых диагностических решений.
Перекрывая диапазон от простых измерений длительности импульса до демодуляции сложных импульсов со скачкообразной перестройкой частоты, анализаторы спектра в реальном масштабе времени обеспечивают новый уровень возможностей измерений и испытаний и служат эффективной заменой обычных анализаторов. Быстрые автоматические измерения импульсов с помощью анализаторов спектра в реальном масштабе времени служат гарантией эффективности при разработке продуктов, производстве и техническом обслуживании. Возможность экспорта данных I-Q из анализатора RSA3408A идеально подходит для применения этого прибора в разработке цифровых радиолокаторов или использования его для проверки идей. Кроме того, анализатор RSA3408A выпускается в виде портативного измерительного прибора, удобного при отладке радиолокаторов, установленных на подвижных носителях или в отдаленных местах.