Задіяння функції швидкого перетворення Фур'є при аналізі імпульсів РЛС. Частина 3

Вибірки вхідного сигналу за часом, збирані аналізатором, робляться з частотою, щонайменше удвічі перевищує досліджувану частоту (частоту Найквіста), щоб уникнути прояви накладання сигналів.
Вибірки часу групуються в кадри даних. Кожен кадр містить набір даних, необхідний виконання БПФ.
Оскільки на краях кадру дані не продовжуються, як у вихідному дискретизованому сигналі до утворення кадру, з'являється штучний розрив. При переході з часової області частотну цей розрив викликає розширення спектра. Фактично сам кадр стає своєрідним імпульсом. Щоб мінімізувати вплив цих розривів, амплітуда даних вибірки за часом масштабується за допомогою функції вікна, причому на краях кадру амплітуда вибірки зменшується до нуля. В аналізаторі спектра в реальному часі застосовуються різні широко відомі функції вікна, наприклад, вікна Хеннінга, Хеммінга, Блекмена, Блекмена-Харріса, Парзена, Уелша та інші.
Після масштабування даних кадру функцією вікна обчислюється БПФ; в результаті дані перетворюються з подання амплітуда-час у подання амплітуда-частота. При БПФ виконуються обчислення з даними визначення амплітуди кожної частотної складової чи «групи».

Рис.12 Використання функції вікна БПФ дозволяє усунути крайові ефекти, викликані розривами при обрізанні сигналу по краях інтервалу часу

За виконання БПФ передбачається, що у межах кадру даних сигнал безперервний. Розриви або імпульси довжиною менше одного кадру можуть викликати помилки у відображенні амплітуди або спектра. Сигнали тривалістю менш повної довжини кадру відображаються з пропорційним зменшенням амплітуди проти сигналами, які займають весь кадр. Це явище ускладнює аналіз радіолокаційних імпульсів. Що ще гірше, нестаціонарні імпульси, що потрапили на край кадру, зазнають додаткового зменшення амплітуди і навіть повністю пригнічуються функцією вікна. Внаслідок цього можуть виникнути значні помилки вимірювання.
Найточніші результати БПФ для імпульсних сигналів досягаються у випадках, коли середина імпульсу збігається з центром кадру, а тривалість імпульсу приблизно дорівнює довжині кадру. При цьому дані імпульсного сигналу стають більше схожими на дані безперервного сигналу.
У режимі спектр імпульсу аналізатор RSA3408A автоматично центрує імпульс у кадрі, щоб зменшити похибки вимірювання. Але якщо тривалість імпульсу, менша за повну довжину кадру, імпульс відображається зі зменшеною амплітудою. Однак при правильному центруванні імпульсу запобігає появі помилок, що вносяться функцією вікна. Ця функція, наявна лише в аналізаторах спектра в реальному масштабі часу, призначена для підвищення точності вимірювання сигналів радіолокації. Крім того, вона діє в реальному часі, що дозволяє усунути відому проблему, пов'язану з тим, що при кожній вибірці відображаються різні частини спектра імпульсів, що знаходяться в межах 36-МГц смуги пропускання аналізатора RSA3408A в реальному масштабі часу. Крім того, аналізатор спектра в реальному масштабі часу дозволяє користувачеві визначати вікно БПФ з метою підвищення якості вимірювань.
В аналізаторі спектра в реальному масштабі часу є можливість перекриття кадрів БПФ, що дозволяє розглядати деталі спектра, які не виявляються аналізаторами, не оптимізованими для обробки нестаціонарних сигналів.

Рис.13 У процедурі БПФ передбачається, що сигнал у кадрі є безперервним. Великі відмінності в амплітуді сигналу кадру і масштабування функцією вікна можуть призвести до помилок амплітуди. Деякі з цих помилок можна уникнути, помістивши імпульс у середині вікна, як це робиться в аналізаторі спектра в реальному масштабі часу

На жаль, вузькі імпульси радіолокації часто цілком вміщаються в одній лінії даних спектрограми. Це ускладнює інтерпретацію корисної інформації, що міститься у звичайній спектрограмі радіолокаційного сигналу.
Аналізатор спектра в реальному масштабі часу дозволяє розділити надлишкові кадри накладені БПФ. Це створює ефект, аналогічний до розтягування спектрограми в часі і дозволяє більш детально відображати сигнал. БПФ з перекриттям може бути частково корисним в операціях електронної розвідки, коли найважливіше швидко розшифрувати природу радіолокаційних імпульсів. Наприклад, у військово-морському флоті потрібно швидко визначати, чи радіочастотний імпульсний сигнал належить радіолокатору наведення ракетної установки або це далекодіючий радіолокатор зі стисненням імпульсів, що дозволяє усунути неоднозначність по дальності. БПФ з перекриттям дозволяє швидко забезпечити візуальне розпізнавання радіолокаційних імпульсів.

Рис.14 Аналоговий вхідний сигнал реєструється як записи з дискретизацією за часом. Потім запис аналізується і розподіляється по кадрах, що складаються з 1024 відліків, для переведення в частотну область за допомогою БПФ.

Рис.15 На звичайній спектрограмі найчастіше відображається недостатньо подробиць. БПФ із перекриттям дозволяє розтягнути тимчасову шкалу для перегляду таких характеристик, які більшості інженерів бачити не доводилося.

Аналогічним чином БПФ з перекриттям дозволяє поліпшити вид спектру на екрані, оскільки інформація, що міститься в імпульсі, проходить через ряд кадрів, що перекриваються. Завдяки перекриттю кадрів, відображення спектра згладжується, покращується деталізація та плавність відтворення. Крім того, при роботі з перекриттям імпульс займає різні місця в кадрі, що забезпечує правильне подання амплітуд спектру і дозволяє уникнути неправильної інтерпретації, пов'язаної з впливом вікна при невдалому розміщенні єдиного кадру.
Слід зауважити, що як показано на рис. 16, у цьому випадку через БПФ з перекриттям окремі послідовні події сигналу виглядають розтягнутими в часі, і здаються значною мірою поєднаними. Можливість розтягування у часі дозволяє суттєво покращити відображення короткочасних нестаціонарних процесів, оскільки вони також розтягуються чи накладаються у часі.

Рис.16 БПФ з перекриттям забезпечує високу наочність уявлення імпульсів РЛС зі стрибкоподібною перебудовою частоти

Рис.17 Аналізатор спектра у реальному масштабі часу досліджує спектр сигналу місцевого гетеродина виявлення потенційних паразитних сигналів у діапазоні 15 МГц

У аналізаторах спектра в реальному масштабі часу є ще одна функція, що дозволяє покращити відображення масштабування. При записі сигналів найчастіше вигідно використовувати якомога ширший діапазон частот. Це дозволяє користувачеві переглядати проблемні сигнали у ширшому спектрі.
Оскільки кількість пікселів екрану по горизонталі обмежена, смуга шумів кожного відліку БПФ або частотної складової встановлюється відповідно до наявної кількості пікселів. Наприклад, якщо діапазон частот 15 МГц є 600 спектральних складових, ширина кожного частотного відліку БПФ становить 25 кГц.
Ця величина еквівалентна роздільній здатності частотного маркера. У вертикальній орієнтації (див. рис.17) можливе відображення 300 частотних відліків з роздільною здатністю 50,109 кГц.
Точна величина смуги шумів залежить від типу вікна та налаштування частотного діапазону аналізатора спектра у реальному масштабі часу. Якщо вибрано вікно Блекмена-Харріса 4B, ширина смуги шумів удвічі перевищує ширину частотного відліку.
Найчастіше бажано вести пошук сигналів у розширеному діапазоні, проте при цьому збільшується ширина смуги шумів і зростає мінімальний рівень шумів на екрані спектру, оскільки сумарна потужність сигналу, що надходить на детектор, збільшується. При цьому зменшується можливість перегляду
сигналів низького рівня з допомогою аналізатора.
Для виявлення паразитних сигналів, які можуть бути прихованими в широкому частотному діапазоні, в аналізаторах спектра в реальному масштабі часу є зручна функція масштабування спектрограми. Функція масштабування включається перетягуванням покажчика по частині спектрограми, що цікавить.
Діапазон частот, центральна частота та смуга шумів автоматично налаштовуються так, щоб забезпечити детальне відображення пов'язаного з ними спектра. Оскільки в режимі масштабування використовується тільки частина діапазону частот, смуга шумів стає вже, внаслідок чого знижується відображуваний
усереднений рівень шумів аналізатора. Функція масштабування дозволяє швидко досліджувати будову спектрограми з максимальною можливою роздільною здатністю аналізатора, не вдаючись до повторної вибірки сигналу.

Рис.18 Масштабування спектрограми - унікальна функція аналізатора спектра в реальному масштабі часу, яка дозволяє заощадити час, оскільки автоматично налаштовує діапазон частот, центральну частоту та ширину смуги шумів для максимально докладного відображення сигналу

Здатність аналізатора спектра в реальному масштабі часу безперервно захоплювати дані і за допомогою цифрової обробки перетворювати їх з рівнем деталізації, що не має аналогів, дозволяє отримати вихідний матеріал для швидких і докладних досліджень. Високий рівень деталізації – лише частина можливостей цього потужного засобу діагностики; велике значення має і здатність визначення характеристик сигналу, що відображається.

Аналіз радіолокаційних сигналів

Завдяки новітньому програмному пакету для вимірювання імпульсних сигналів, що входить до складу аналізатора спектра в реальному
масштабі часу та засобам синхронного відображення у кількох областях забезпечуються найкращі в галузі можливості аналізу радіолокаційного сигналу.
У пакет для вимірювання імпульсних сигналів входять різноманітні засоби автоматизованих вимірювань, призначені для визначення характеристик
радіолокаційних сигналів. Вимірювальне програмне забезпечення робить аналіз сигналів радіолокації таким же швидким і зручним, яким давно вже стало поводження з багатьма масовими споживчими радіопристроями. Крім того, воно дешевше за спеціалізовані аналізатори імпульсів військового зразка, призначених для електронної розвідки.
Завдяки застосуванню засобів синхронного відображення у кількох областях забезпечується швидке визначення характеристик окремих імпульсів. Аналізатор спектру з обробкою в реальному часі, оснащений пакетом для вимірювання імпульсних сигналів, може замінити деякі звичайні засоби вимірювання. Щоб проілюструвати можливості пакета для вимірювання імпульсних сигналів, розглянемо для початку простий вимір деяких типових характеристик імпульсу, згаданих у цій інструкції із застосування.
Щоб виконати основні вимірювання імпульсних сигналів на аналізаторі RSA3408A, переведіть його в режим Time (Час) та виберіть потрібний вимірювання за допомогою програмованої екранної кнопки. Щоб активувати потрібні вимірювання імпульсних сигналів, натисніть клавішу View Define (Задати подання), а потім — екранну кнопку Display Measurements (Виведення вимірювань).
Аналізатор спектру в реальному масштабі часу дозволяє проводити, з відображенням результату в графічному вигляді, вимірювання тривалості імпульсу, пікової потужності, співвідношення імпульсу і паузи, пульсації імпульсу, інтервалу повторення імпульсів, шпаруватості, фази між імпульсами, потужності каналу, займаної частот та девіації частоти.
Оскільки в одному записі може бути захоплено кілька імпульсів, аналізатор спектра в реальному масштабі часу автоматично проводить вимірювання кожного імпульсу, привласнює номер і виводить на екран таблицю результатів вимірювань. У аналізаторі спектра реальному масштабі часу є засоби синхронного відображення. При виборі імпульсу таблиці він автоматично позначається маркером на осцилограмі зміни потужності за часом. Аналогічні маркери відповідають на оглядовій спектрограмі номери імпульсів, з якими пов'язані особливості спектрограми.

Рис.19 Пакет для вимірювання імпульсних сигналів, що постачається в комплекті з аналізатором спектру RSA3408A, може використовуватися для автоматичного виконання поширених вимірювань параметрів імпульсів

Рис.20 Пакет для вимірювання імпульсних сигналів забезпечує представлення даних як у табличному, так і у графічному вигляді

Пакет вимірювання імпульсних сигналів як надає табличні дані всім вимірювань імпульсів, а й забезпечує графічне представлення. Графічне уявлення допомагає провести поглиблену діагностику шляхом виявлення трендів. Наприклад, можливий дрейф частоти радіопередавача в міру його прогріву. За допомогою клавіш View Select (Вибрати подання) та View Define (Задати подання) можна відобразити у графічному вигляді вимірювання частоти для кожного імпульсу та виявити дрейф за кількома імпульсами. Такі вимірювання можуть не тільки допомогти конструкторам та виробникам радіолокаторів, але й надати цінну інформацію фахівцю з електронної війни або електронної розвідки. Детальний аналіз трендів сигналу може підтвердити інформацію про тип досліджуваного випромінювача.

Далі буде...

Магазин Gtest® - авторизований постачальник Аналізаторів Спектру в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelne-pribory/analizatory-radiochastotnoho-spektra