雷达测量方法比较

2009年04月14日16:10:00 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

扫描信号分析仪和 FFT 信号分析仪

作者：安捷伦航空航天及国防项目经理 John Barfuss

现代脉冲雷达系统大都使用先进的波形和调制特性，以获得更好的距离分辨率、增强的噪声抑制和更出色的目标识别能力，尤其是采用了具有宽带宽、低占空比、高线性和精密调制特性的雷达信号，更是大大提高了系统性能。但是，由于这些波形本质上的差别，它们很难测量和合成。设计高性能、低成本的雷达系统时，了解不同类型的仪器会对这些雷达信号做出怎样的响应是非常重要的。本文将对几种表征低占空比、宽带雷达信号频谱含量的测量方法展开讨论。

频谱分析仪或信号分析仪是表征雷达信号的基本工具，它们可测量随频率变化的雷达信号功率含量。这一功能非常重要，因为一个错误的频谱图可指示出多个导致耗散功率和无用信号发射的问题。传统频谱分析仪使用可调谐扫描体系结构，以达到高动态范围和宽频率测量范围^[1]。数字信号处理技术的进步促进了两项重大技术的发展：1）传统可调谐扫描频谱分析仪开始扩展到数字中频，2）快速傅立叶变换（FFT）分析仪的出现成为传统频谱分析仪体系结构的另一选择。传统频谱分析仪扩展到数字中频极大地提高了这些仪器的精度、可重复性和速度。FFT 信号分析仪具有前所未有的调制分析能力，在某些情况下，它可以进行极快的测量，但是在另外一些情况下，其测量速度却非常缓慢。

您需要对仪器功能和被测信号具有一定的了解，才能够选择较佳的测量方法。要了解仪器的体系结构对显示的频率响应、测量速度和动态范围有何影响，您需要分别使用可调谐扫描和FFT 分析技术对宽带低占空比雷达波形的频谱响应进行比较。幸运的是，一些信号分析仪包含扫描和 FFT 两种功能，因此，我们可以在同一仪器中直接比较这两项技术。另外，某些信号分析仪还可用作矢量信号分析仪，以测量相位剖面、调制、瞬态分析和频谱图。

线性调频雷达信号

发射机处于关闭状态时，脉冲雷达可发射窄脉冲的周期序列，并接收脉冲之间的目标回波。与具有类似工作带宽的窄脉冲波形相比，采用线性调频（LFM）或“线性调频（chirped）”波形的脉冲压缩技术可通过相对更高的平均发射功率来提高距离分辨率[2]。无论是通过脉冲还是线性调频波形来完成以上任务，提高距离分辨率和明确的范围分别需要宽带宽和低占空比波形。宽带宽和低占空比的结合提出了特殊的测量难题――执行典型测量时，截获这些信号类型的几率更低。

使用可调谐扫描分析仪进行宽带线性调频雷达测量

例如，图 1 显示的是宽带线性调制信号在 1 GHz 频率偏移、2 微秒脉冲宽度和 100 微秒周期时的测量频率响应。它是使用可调谐扫描分析仪（采用不同的扫描时间配置）捕获的两种测量，以便比较仪器配置对低占空比波形的影响。左图是使用分析仪（配置：扫描时间自动设置为 2.4 毫秒）捕获的测量。在这种情况下，分析仪的扫描速度非常快，以至于无法捕获波形中的全部频谱能量。在扫描时，每隔 100 微秒才能捕获到频谱能量，但由于扫描是在脉冲间隔期间完成的，因而无法捕获到任何东西。在扫描过程中，随着可调谐扫描分析仪对信号的连续测量，这些周期脉冲显示为等间隔的单独频率能量成分。通常，这些能量成分称为脉冲重复频率（PRF）线。注意，这些信号没有特定的频域含义，并且能在各个扫描之间来回移动^[2]。要想测量线性调频波形的完整的频谱含量，需要降低分析仪的扫描速度，以使脉冲出现在每个测量段或扫描点上。在本例中，峰值检波是打开的，而且扫描时间增至 100 毫秒。图 1 的右半部分显示的是理想的线性调频频谱结果。

扫描时间 2.4ms 扫描时间 100ms

图 1：在扫描模式中，使用 Agilent PSA 频谱分析仪来测量随扫描时间变化而变化的宽带线性调频雷达信号。在两个测量中，分辨率带宽（RBW）均为 3 MHz。

使用 FFT 频谱分析仪进行宽带线性调频雷达测量

使用 FFT 频谱分析仪测量同一线性调频并非较佳选择，原因涉及到 FFT 频谱分析仪是如何“扫描”或测量超过仪器 FFT 分析带宽的扫宽的。实际上，分析仪必须每次测量一个频谱分段，然后将每段的测量结果进行拼接或“缝合”。这种方法非常适用于连续信号，但由于测量效率方面的原因，它对脉冲信号效果不明显。与每个 FFT 计算中数据在采样时所用的较短时间相比，分析仪在每个理想的频谱之间进行重新调谐的时间则较长，结果导致截获信号的几率很低，特别是低占空比的信号。

在扫描分析仪实例中，我们降低了扫描速度，以增加扫描过程中截获脉冲能量的次数。图 1 以更好的信号图形格式显示了该结果。然而，这种方法不适用于 FFT 频谱分析仪，因为它甚至没有扫描时间控制功能。尽管它可以模拟传统的扫描控制，但却不能执行扫描控制功能。

改进脉冲射频测量的另一方法是降低 RBW 设置，它可以适用于 FFT 频谱分析仪。随着 RBW 的降低，测量也将变慢，从而增加截获几率。如果 RBW 降至足够低，信号丢失将不再是什么问题，因为分析仪将信号的频谱分量视为连续波形，所有波形便可组成脉冲信号。

在采用同样窄的 RBW 设置时，FFT 频谱分析仪在测量频谱方面实际上比扫描分析仪更有效，尽管事实上分析仪仍然需要将几个计算的 FFT 部分的频谱进行“缝合”。例如，在 PSA 的FFT 模式下，当使用 1 kHz RBW 时，测量 1.4 GHz 频谱所需的时间是 91s，而在 PSA 扫描模式中所需的时间是 1688s。

尽管如此，通过降低 RBW 来测量脉冲射频信号会影响测量速度和动态范围。

图 2 是对图 1 中所示的同一线性调频雷达的测量，这次使用的是 Agilent PSA 频谱分析仪的 FFT 模式，并采用不同的 RBW 设置。RBW 的默认值为 3 MHz时，我们只能偶尔捕捉到频谱。通过将 RBW 降低至 1 kHz，我们才能对频谱进行测量。但是，与图 1 所示的扫描模式下 100 ms 的扫描时间相比，现在，测量所需时间是 91s。另外，降低 RBW 还会降低脉冲灵敏度，从而导致较低的动态范围。将两图进行比较可知，本例中的扫描模式可达到 15 dB 以上的动态范围。有关脉冲灵敏度降低的解释，可参阅安捷伦雷达测量应用指南。^[2]

时间：3 秒（RBW 3 MHz） 时间：91 秒（RBW 1 kHz）

图 2 ：在 FFT 模式下使用 Agilent PSA 测量随仪器 RBW 变化的宽带线性调频雷达信号。FFT 模式不提供扫描时间控制功能。

使用矢量信号分析仪（VSA）进行线性调频雷达测量

如前例所示，当您感兴趣的扫宽和/或信号超过分析仪的分析带宽（FFT 带宽）时，FFT 分析仪便显露出它的局限性。不过，如果信号在仪器的分析带宽之内，当 FFT 信号分析仪用作矢量信号分析仪时，仍可对信号进行全面分析。

例如，由于矢量信号分析仪可以测量随时间和频率变化的信号的幅度和相位，因而可进行调制分析。图 3 显示的是使用连接至 Agilent PSA 频谱分析仪的 Agilent 89601A VSA 软件同时测得的雷达线性调频随时间变化的幅度、相位和频率响应。

矢量信号分析仪的性能主要取决于数字转换器的功能^[2]。例如，Agilent PSA 使用 200 MSa/sec 的数字转换器，具有 14 位分辨率、80 MHz 分析带宽和 78 dBc 无失真动态范围。

您可以使用超宽带（UWB）矢量信号分析仪（例如 Agilent VSA90000A 示波器）获得较宽的带宽。VSA90000A 分析仪以 40 GSa/s 的速率和 8 位分辨率进行采样，因此能够分析高达 13 GHz （尽管动态范围小于 PSA）的带宽。这非常有助于分析宽带线性调频，例如上例中显示的 1 GHz 线性调频。在这个实例中，示波器使用的 VSA 软件与 PSA 使用的软件相同。由于示波器是以 40 GSa/s 的速率进行采样，因此它可以直接测量这个 X 频段的雷达信号，而无需进行下变频处理。（见图 4。）

图 3 ：使用 Agilent VSA 软件和 PSA 频谱分析仪进行频率、时间、相位测量

图 4 ：使用 Agilent VSA 软件和 DSO90000 系列示波器进行 1 GHz 雷达线性调频的频率、时间和相位测量

总结

信号分析仪可以使用不同的方法测量信号频谱。每种方法都具有其优势和劣势。测量宽带脉冲信号（例如雷达）时，这些差异变得尤为突出和至关重要。表 1 概述了各自的优势和劣势。不管被测信号具有什么特性，能够执行扫描、FFT 的仪器和矢量信号分析仪（例如 Agilent PSA 和 MXA 信号分析仪）都可提供较佳的性能和功能。

表 1

可调谐扫描频谱分析仪

雷达测量方法比较

扫描信号分析仪和 FFT 信号分析仪

使用可调谐扫描分析仪进行宽带线性调频雷达测量

使用 FFT 频谱分析仪 进行宽带线性调频雷达测量

使用矢量信号分析仪（VSA）进行线性调频雷达测量

总结

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使用 FFT 频谱分析仪进行宽带线性调频雷达测量