3 способи генерації радіолокаційних сигналів за допомогою генераторів сигналів довільної форми

Магазин Gtest® - авторизований постачальник генераторів сигналів в Україні:
https://gtest.com.ua/uk/vimiryuvalni-priladi/generatori-signaliv

Якості радіолокаційних сигналів спочатку ускладнюють їхнє відтворення за допомогою генератора сигналів. Поєднання несучої частоти, смуги модуляції та, в більшості випадків, імпульсний характер сигналу створюють низку вимог, які важко задовольнити існуючим приладам. Зростаюча складність радіолокаційних систем, зростаюче використання складних методів модуляції, таких як коди Баркера, поліфазні коди, лінійна частотна модуляція (ЛЧМ) та інші методи модуляції з надширокою смугою пропускання (СШП), у поєднанні з вимогами до якості сигналу для успішного тестування наклад. Необхідність емуляції багатоантенних радіолокаційних систем на основі фазованих антенних решіток або останнім часом архітектур MIMO обумовлює необхідність генерації безлічі сигналів з чітко контрольованою синхронізацією та фазовою синхронізацією. Ці ж вимоги застосовні не тільки до сучасних радіолокаційних систем: методи, що обговорюються в цій статті, застосовні також до широкосмугового зв'язку зі стрибкоподібною перебудовою частоти або до будь-яких радіочастотних сигналів, для яких важливими є смуга пропускання, складність модуляції та якість сигналу.

Традиційно генерація радіолокаційних сигналів здійснювалася за допомогою генератора сигналів основної смуги та ВЧ/мкВт модулятора, іноді інтегрованих в один пристрій. Історично це було необхідно, оскільки генератори ВЧ-сигналів не мали достатньої смуги пропускання для видачі повністю сформованого радіолокаційного сигналу. Високопродуктивні генератори сигналів довільної форми (AWG) все частіше використовуються завдяки численним перевагам, які вони надають.

Сучасні генератори сигналів довільної форми (AWG) пропонують частоти дискретизації, що дозволяють генерувати радіочастотні сигнали без використання окремого радіочастотного модулятора. Це означає, що ефективна смуга модуляції тягнеться від постійного струму до половини частоти дискретизації AWG (у деяких випадках від постійного струму до 20 ГГц). Без обмежень смуги модуляції один канал AWG може використовуватися одночасної імітації декількох джерел радіочастотного випромінювання шляхом математичного об'єднання їх радіочастотних сигналів. Генератори сигналів довільної форми також пропонують секвенсор, що дозволяє об'єднувати кілька сигналів за допомогою циклів та розгалужень. Правильне використання секвенсора дозволяє відтворювати складні сценарії, такі як радіочастотні відображення та системи розпізнавання «свій-чужий» або «твердотільний резонанс», не займаючи значного обсягу пам'яті для зберігання сигналів. Крім того, є безліч програмних пакетів, що спрощують створення складних сигналів, необхідних для випробувань радарів і систем радіоелектронної боротьби.

Генерація радіолокаційних сигналів за допомогою генераторів довільних хвиль

Генератори сигналів радіолокаційних станцій можуть генерувати сигнали радарів трьома основними способами:

1. Генерація основної лінії: генератор сигналів довільної форми генерує сигнал у часовій області для подачі на ВЧ/мкВт модулятор. Цей метод еквівалентний традиційному методу генерації сигналів. Для простих сигналів, де імпульси генеруються шляхом управління огинаючої несучої, одноканальний вихід генератора сигналів довільної форми подається на амплітудний модулятор (АМ). Для більш складних сигналів, що вимагають складної цифрової модуляції або лінійної частотної модуляції (ЛЧМ) (тобто чирпів), необхідно керувати як амплітудою, так і несучою фазою. У цьому випадку потрібно використовувати квадратурний модулятор. Для цього потрібні два сигнали основної смуги: синфазна (або I) і квадратурна (або Q) складові, як показано на малюнку 1. Ці два сигнали основної лінії можуть бути згенеровані генератором сигналів довільної форми з двома каналами або двома синхронізованими одноканальними генераторами сигналів довільної форми.

Рисунок 1. Генератор сигналів довільної форми (AWG) може використовуватися для виведення сигналів I та Q, які потім налаштовуються квадратурним модулятором. Частота дискретизації залежить від смуги модуляції, яка контролюється самим модулятором.                                                                                                                                                                                        

2. Генерація проміжної частоти (ПЧ): генератор сигналів довільної форми (AWG) генерує готовий до використання модульований сигнал відносно низької несучої частоти. Часто сигнал можна подати безпосередньо на блок обробки сигналу в приймачі або передавачі. У ситуаціях, коли потрібна кінцева частота ВЧ/мкВт, необхідно використовувати перетворювач, що підвищує, для досягнення кінцевої несучої частоти.                                                                                     

3. Пряма генерація ВЧ: генератор довільної форми сигналу (AWG) генерує модульовану несучу на кінцевій частоті ВЧ/мкВт. Ніяких додаткових блоків обробки сигналу, окрім звичайних фільтрів чи підсилювачів, не потрібно, як показано на малюнку 2. Тут слід враховувати, в якій смузі Найквіста ви хочете працювати. У першій смузі Найквіста використовується фільтр нижніх частот із частотою зрізу, що дорівнює половині частоти дискретизації генератора довільної форми (AWG) (частота Найквіста). Необхідна частота дискретизації генератора довільної форми залежить від несучої частоти, і від смуги модуляції, оскільки виводиться повний ВЧ-сигнал. Натомість вас може зацікавити зображення радіолокаційного сигналу, розташоване на більш високих частотах другої смуги Найквіста, яка варіюється від половини частоти дискретизації генератора довільної форми до частоти дискретизації. У цьому випадку слід використовувати смуговий фільтр, а частота дискретизації генератора довільної форми (AWG) не обов'язково має бути такою високою. Однак амплітуда сигналу, частотна характеристика генератора довільної форми та смуга модуляції будуть важливішими питаннями.

Рисунок 2. Методи прямої генерації радіочастотного сигналу генератором довільної форми (AWG). Вгорі показано схему для генерації першої смуги Найквіста з фільтром нижніх частот. Нижче показано схему для генерації другої смуги Найквіста, що визначається використанням смугового фільтра.

Переваги та недоліки

Кожен із цих методів має свої плюси та мінуси. Генерація основної лінії та ПЧ може бути реалізована тільки за допомогою генераторів сигналів довільної форми (AWG) середньої продуктивності. Для більшості сигналів достатньо частоти дискретизації в кілька Гвиб/с. Однак в обох випадках смуга модуляції кінцевого ВЧ/мкВт сигналу буде обмежена характеристиками модулятора, що використовується або підвищує перетворювача. Наприклад, комерційно доступні квадратурні модулятори рівня приладу здатні генерувати сигнали зі смугою пропускання до 2 ГГц, але цього може бути недостатньо для деяких радіолокаційних застосувань. Гірше того, широкосмугова квадратурна модуляція є надзвичайно чутливою до дисбалансу I/Q або квадратурних помилок, що посилюється поділом системи на кілька приладів. Для отримання сигналів належної якості потрібне точне налаштування після ретельного калібрування.

Пряма генерація сигналу забезпечує більш просте налаштування без ймовірності помилок через дисбаланс I/Q або квадратурних помилок. Але цей метод вимагає надзвичайно швидкого AWG, частота дискретизації якого як мінімум у 2,5 рази вища за максимальну частотну складову сигналу. Це залишає місце для фільтра нижніх частот та забезпечує цілісність сигналу. Ви також можете зіткнутися з проблемами глибини пам'яті у вашому AWG, хоча їх можна пом'якшити за допомогою секвенсування. Більш висока частота дискретизації з'їдає пам'ять довжини запису, тому потрібна велика пам'ять форми сигналу кілька GS чи більше. Іншою важливою перевагою є те, що для генерації сигналу радіолокації потрібен тільки один канал AWG. Це еквівалентно економії коштів і дозволяє одному багатоканальному AWG генерувати кілька різнорідних несучих або широкосмуговий шум для реалістичного тестування.

Традиційно одержання сигналів хорошої якості з динамічним діапазоном, вільним від паразитних складових (SFDR), було утруднено за допомогою надшвидкісних генераторів сигналів довільної форми через обмежене дозвіл їх ЦАП (6 біт). Однак останнє покоління високошвидкісних генераторів сигналів довільної форми Tektronix серії AWG70000B забезпечує 10-бітову вертикальну роздільну здатність зі швидкістю до 50 Гвиб/с, відкриваючи шлях до якісної прямої генерації ВЧ-сигналів за межами Ku-діапазону (12-18 ГГц) вплоть до 12-18 ГГц. Максимальна довжина запису 32 Гвиб дозволяє відтворювати ВЧ-сигнали повної довжини.