НОВОСТИ    БИБЛИОТЕКА    ССЫЛКИ    О САЙТЕ




16.12.2017

Расширение функционала осциллографов и анализаторов спектра при измерении радиолокационных сигналов

В статье рассматривается проблема измерений параметров импульсных сигналов, применяемых в радиолокации, с использованием средств измерений среднего класса. Как показал выполненный анализ, такие сигналы можно охарактеризовать во временной и в частотной областях с помощью осциллографов и анализаторов спектра, но у каждого из этих классов оборудования имеются свои особенности и типичные границы применимости. Унификация имеющихся средств измерений возможна при использовании специального ПО, также существенно ускоряющего процесс измерений. В экспериментальной части работы, выполненной с помощью оборудования Rohde&Schwarz, показаны эффективность и особенности применения такого ПО. Николай Лемешко, д.т.н., в.н.с. ОАО «Корпорация «Комета», nlem83@mail.ru

Кирилл Румянцев, менеджер по продукту, ООО «РОДЕ и ШВАРЦ РУС», Kirill.Rumyantsev@rohde-schwarz.com

Введение

В настоящее время одной из практических областей использования импульсных радиосигналов является радиолокация. В радиолокационных средствах использование импульсного режима излучения, а также специальных видов модуляции позволяет повысить такие выходные характеристики систем как точность, предельная дальность обнаружения и разрешение по дальности [1]. Типовая радиолокационная станция (РЛС) предполагает применение зондирующих сигналов в виде радиоимпульсов со специально подобранным законом модуляции. Обычно радиоимпульсы имеют амплитудную или фазовую манипуляцию, частотную модуляцию или их комбинацию.

Как следует из представленного качественного описания, радиолокационные сигналы, используемые в современных системах, обладают следующими важными свойствами:

- широкой полосой частот - в пределе до нескольких гигагерц;

- сложной, подчас многоуровневой модуляцией с изменяющимися во времени - в отдельных случаях - параметрами.

Как правило, разработчику средств радиолокации необходимо решить задачу их отладки. Из-за упомянутой специфики сигналов РЛС их анализ в частотной и временной областях с использованием классических подходов либо затруднен, либо занимает много времени, либо вовсе невозможен в силу отсутствия подходящего оборудования. Эту проблему нельзя считать второстепенной, поскольку точность настройки сигналов и трактов радиолокационных станций определяет их предельные эксплуатационные характеристики. Кроме того, важной особенностью современных РЛС является электронный характер сканирования пространства [2], который подразумевает неподвижность антенны РЛС, а обзор пространства осуществляется за счет формирования луча в заданном направлении путем установки необходимого амплитудно-фазового распределения по раскрыву антенны. Погрешности в амплитудно-фазовом распределении оказывают существенное влияние на характеристики синтезированной диаграммы направленности - в первую очередь, на угловое положение относительно нормали к антенному полотну и на ширину диаграммы направленности.

При этом между потребностями в анализе сигналов РЛС и техническими ограничениями измерительных приборов имеются значительные противоречия. Их логичное разрешение, позволяющее перейти к полному, грамотному и обоснованному анализу сигналов РЛС, состоит в сочетании методов спектрального анализа и осциллографии, которое можно реализовать и для средств измерений среднего класса. Целью настоящей работы является анализ возможностей и перспектив такого совмещения с использованием специального программного обеспечения.

Диапазоны частот функционирования РЛС

Для установления потребности в средствах измерений для анализа сигналов РЛС следует определить частоты их функционирования. В Российской Федерации использование частот устанавливает таблица распределения радиочастот между радиослужбами РФ в диапазоне 3 кГц...400 ГГц [3]. Анализ этого документа показывает, что для работы РЛС в диапазоне 1-20 ГГц отводятся полосы частот, указанные в таблице. В скобках в первой колонке приведено количество диапазонов в полосе частот, отличных по использованию разными радиослужбами.

Таблица 1. Полосы радиочастот в диапазоне 1-20 ГГц, отведенные для использования радиолокационными системами
Полоса, ГГц (количество диапазонов) Радиослужбы (кроме РЛС)
1,215-1,400 (5) Радионавигационная, в т. ч. спутниковая связь, а также связь с воздушными объектами
2,100-3,600 (19) Фиксированная и спутниковая связь, исследование Земли
5,250-5,850 (8) Служба космических исследований, спутниковая связь, радионавигация
6,425-7,075 (2) Служба фиксированной связи, в т. ч. спутниковой
7,750-7,900 (2) Метеорологическая спутниковая служба
8,400-10,700 (17) Радиоастрономия, спутниковая связь, подвижная и фиксированная связь, исследование Земли, связь с воздушными объектами
13,400-14,000 (2) Космические исследования, спутниковая служба стандартных частот и сигналов
15,7000-17,7000 (5) Служба фиксированной связи, в т. ч. спутниковой, космические исследования

Заметим, что имеются радиолокационные комплексы, работающие на значительно более низких частотах, начиная с полосы 47-48,5 МГц, и предназначенные, в первую очередь, для загоризонтной радиолокации [1] с огибанием земной поверхности за счет дифракции. Однако такие РЛС характеризуются узкой полосой излучений и, как правило, сравнительно простыми видами модуляции. Следовательно, их сигналы не имеют особенностей, на которых выше акцентировалось внимание, и эти сигналы следует исключить из рассмотрения.

Сопоставляя тенденции развития средств радиолокации с распределением диапазонов радиочастот, необходимо сделать следующие выводы.

1. Национальная таблица распределения радиочастот предусматривает возможность функционирования РЛС на разных частотах. Приведенные в таблице полосы частот разбиты на сравнительно небольшие диапазоны, причем работа РЛС одновременно в нескольких из них обычно не допускается. Такое деление призвано оптимизировать работу радиослужб, использующих радиочастоты на первичной основе, но серьезно затрудняет выделение частот для РЛС с полосой выше 200 МГц.

2. Большинство диапазонов частот, в которых возможна работа РЛС, предусматривает функционирование конкурирующих радиослужб, которые также испытывают потребность в выделении частотного ресурса. Так, например, планируется переход системы GPS на передачу открытых сигналов с полосой около 30 МГц вместо 10-20 МГц, что способствует увеличению точности определения положения объектов, оснащенных соответствующей навигационной аппаратурой. Однако потребность конкурирующих радиослужб в частотном ресурсе оказывается все же меньше, чем для средств радиолокации. Таким образом, ожидается, что полосы частот работы радиолокационных средств перенесутся в низко- и среднечастотную часть СВЧ-диапазона (6-15 ГГц).

3. В пользу повышения частот работы РЛС свидетельствуют и физические принципы их работы. В частности, с ростом частоты увеличивается коэффициент направленного действия антенн за счет сужения диаграмм направленности. Однако на частотах порядка 20 ГГц резко увеличиваются потери на распространение и, что важнее, потери в пространственных образованиях, таких как гидрометеоры и пылевая взвесь [4], которая всегда присутствует в воздухе. В силу этого обстоятельства можно предположить, что верхняя граница диапазона работы РЛС наземного базирования не превысит 20 ГГц.

Таким образом, полоса частот, в которых в ближайшие годы будут использоваться радиолокационные сигналы, простирается в диапазоне 6-20 ГГц, что накладывает отпечаток на применимость конкретных методов анализа сигналов.

Основные измеряемые параметры радиолокационных сигналов

Измеряемые параметры для сигналов РЛС можно разделить на частотные, временные и энергетические. К первой группе следует отнести полосу частот, измеряемую по тому или иному критерию, внутриспектральные частотные соотношения, включая минимальное расстояние между соседними спектральными линиями, которое определяется периодом повторения радиоимпульсов.

Строго говоря, временные характеристики сигналов РЛС следует разделить на основные и дополнительные, отнеся к первой группе период следования радиоимпульсов и их длительность, измеренную на заданном уровне, а ко второй группе - значимые характеристики огибающей радиоимпульсов, такие как длительность превышения огибающей собственного установившегося значения в начальный период формирования радиоимпульса, время нарастания/спада и т. д. В качестве энергетических характеристик следует выделить спектральную плотность, характеризующую концентрацию энергии в узкой полосе частот вблизи заданного значения, а также канальную мощность сигнала.

Изменение энергетических характеристик радиоволн в среде распространения, в т. ч. в трактах РЛС и за счет нежелательного влияния элементов конструкции, приводит к необходимости эфирных измерений, в особенности в случае формирования диаграммы направленности с помощью ФАР [2]. Однако на начальных этапах отладки обычно удается обходиться измерениями с подключением в тракт. Этот факт позволяет применять не только осциллографические, но и спектральные методы измерений при использовании подходящих широкополосных измерительных преобразователей.

Метрологическое обеспечение для анализа радиолокационных сигналов

Представление сигналов во временной и в частотной (комплексной) областях взаимно однозначно. Следовательно, и осциллографы, и анализаторы спектра могут, на первый взгляд, применяться для анализа любых параметров сигналов РЛС. Однако, как оказалось, это не вопрос удобства или предпочтений инженеров.

Каждый класс измерительного оборудования имеет свои ограничения. Например, преимуществами анализаторов спектра является широкая полоса рабочих частот, достигающая, например, 85 ГГц у анализаторов спектра и сигналов R&SFSW85. Кроме того, такие приборы обладают высокой чувствительностью, что позволяет выполнять измерения параметров эфирных сигналов. Чувствительность имеет большое значение еще и по той причине, что приборы имеют сложную, многоуровневую модуляцию, иногда с многократным переносом по частоте, что способно привести к возникновению искажений за счет нелинейных и интермодуляционных эффектов. Поиск и оценка значимости таких явлений для эффективности функционирования РЛС - обязательный этап отладки ее передающих устройств.

Ограничение использования анализаторов спектра в классических схемах измерений сигналов РЛС определяется необходимостью оценки временных соотношений. При осуществлении таких измерений фильтр, обеспечивающий разрешение сигналов по частоте, не должен оказывать существенного влияния на временные соотношения в отображаемой картине измерений. Для режима измерений с нулевой полосой обзора это требование выполняется в том случае, если полоса разрешения превышает полосу частот, занимаемую сигналом. Радиолокационные сигналы могут занимать полосу в сотни МГц; при этом у самых современных анализаторов спектра, например R&S FSW, максимальное значение полосы разрешения составляет 80 МГц. В таком режиме можно измерять лишь некоторые временные параметры сигналов РЛС, к которым относятся период повторения импульсов, но измерения времени нарастания/спада представляют собой не самую простую задачу, а полностью ручной режим настройки шкалы амплитуды даст дополнительную систематическую погрешность. Отмеченное ограничение может оказаться существенным, поскольку оно не устраняется ни за счет длительности накопления, ни за счет измерений для разных частот в пределах полосы сигнала РЛС.

Современные технологии, применяемые в измерительной технике, обеспечивают анализ сигналов в довольно широкой полосе частот. Это существенным образом расширяет возможности анализаторов спектра по анализу сигнала во временном диапазоне в сравнении с классическим подходом наблюдения в нулевой полосе обзора, упомянутым выше. Анализ сигналов на основе I/Q-преобразования с использованием широкополосных АЦП и быстродействующих ПЛИС обеспечивает захват и демодуляцию сигнала в полосе до нескольких ГГц. С точки зрения анализа импульсного сигнала, работа в режиме I/Q анализатора R&SFSW позволяет наблюдать в реальном времени огибающую радиоимпульса с полосой до 2000 МГц. Соответствующее программное приложение FSW-K6 осуществляет анализ первичных данных и позволяет выполнять автоматический расчет основных амплитудно-временных параметров (таких как время нарастания/спада, длительность, частота повторения импульсов, мощность), наблюдая представленную графически внутриимпульсную модуляцию.

Однако заметим, что наличие таких широких аппаратных и программных возможностей остается привилегией оборудования, относящегося к высшему классу средств измерений. Далее мы рассмотрим неочевидные, но интересные возможности меньшей ценовой категории, которые используются для средств измерений среднего класса.

Так, для типичного анализатора спектра среднего класса полоса фильтра разрешения (в режиме с нулевой полосой обзора) не превышает 10 МГц. Отдельные и высокопроизводительные модели, например R&SFSVA, оснащены I/Q-анализатором, что обеспечивает захват сигнала в полосе до 160 МГц при частотах до 40 ГГц. Кроме того, как уже упоминалось, у приборов среднего класса может отсутствовать аппарат специальной математической обработки, в данном случае автоматизированного измерения параметров импульсного сигнала. В таких случаях для существенного расширения программных возможностей приборов используется внешнее программное обеспечение. Мы рассмотрим применение ПО R&SVSE, поддерживаемого анализаторами спектра и осциллографами Rohde & Schwarz.

Преимуществом современных осциллографов является широкая полоса рабочих частот. Так, например, у серии R&SRTO верхняя граница рабочего диапазона достигает 6 ГГц. Ограничения, связанные с верхней границей частотного диапазона, во многом определяют переход с методов осциллографии к спектральному анализу. Однако этот тип средств измерений довольно-таки прост в использовании и позволяет непосредственно измерять временные характеристики исследуемого сигнала. Большинство современных осциллографов уже в стандартной комплектации содержит аппаратно-программный модуль, реализующий быстрое преобразование Фурье (БПФ), который позволяет одновременно наблюдать характеристики сигнала и в спектральном представлении. Справедливости ради заметим, что такая функция несет, по большей части, информацию качественного характера, хотя для упомянутой модели R&SRTO все преобразования выполняются на отдельной, специально встроенной аппаратной платформе. С одной стороны, это позволяет разгрузить общую процессинговую часть прибора, помогая в разы увеличить производительность и максимально снизить время простоя в момент, когда одновременно с измерениями во временном диапазоне активировано БПФ. С другой стороны, для измерения параметров спектра используются отдельные, специально для этого предназначенные вычислительные мощности.

Применение осциллографов для анализа спектральных характеристик сигналов РЛС имеет ряд ограничений, связанных с динамическим диапазоном и чувствительностью, что является закономерным следствием широкой рабочей полосы частот. Однако широкая полоса захвата сигнала и, соответственно, высокая частота дискретизации и являются основными преимуществами данного класса приборов. Это преимущество в совокупности со специальными техническими решениями позволяет существенным образом увеличить функциональные возможности прибора при совместном использовании с программным обеспечением R&S®VSE, что будет рассмотрено далее.

Возвращаясь к аппаратным особенностям, определяющим тип используемого средства измерения, заметим, что для тех РЛС, рабочие диапазоны которых находятся выше типовых предельных частот работы осциллографов, применение последних для непосредственного анализа сигналов не представляется возможным. Один из известных подходов к измерению таких сигналов состоит в использовании широкополосных конвертеров, переносящих рабочую полосу сигналов РЛС на частоты, в которых возможен осциллографический анализ. Реализация измерений параметров модуляции таким образом крайне затруднительна, поскольку подавляющее большинство конвертеров не обеспечивает преобразование широкополосных сигналов без значительных интермодуляционных искажений.

Таким образом, существующий уровень развития средств осциллографического и спектрального анализа не всегда позволяет измерять весь комплекс значимых параметров сигналов РЛС при использовании всего лишь одного устройства. На практике весьма часто возникает необходимость прибегнуть к помощи осциллографа в дополнение к анализатору спектра. В частности, так происходит при измерении характеристик фазовой стабильности сигналов синхронизации или наблюдении формы задающего сигнала. Следовательно, весьма важным вопросом является, с одной стороны, расширение функционала каждого из приборов в отдельности, а с другой, - обеспечение одновременного использования приборов, получение данных в едином формате, возможность переключения между измерениями с экономией сил и времени, которые затрачиваются на перекоммутацию соединений и предварительные настройки средств измерений.

Повышение эффективности измерений сигналов РЛС

Рассматриваемое расширение возможностей анализа сигналов РЛС с использованием анализаторов спектра и осциллографов основано на использовании специального программного обеспечения, которое позволяет более точно измерять параметры модуляции и динамики радиоимпульсов. Особый эффект такого подхода наблюдается в случае использования приборов среднего класса, для которых описанные ограничения наиболее существенны.

В качестве программного обеспечения, обеспечивающего такие преимущества, мы рассмотрим средства, основанные на обработке I/Q-данных с использованием векторного анализа. Пакет программного обеспечения R&S®VSE, совместимый с анализаторами спектра Rohde & Schwarz и осциллографами серии RTO, оснащен специальными опциями для анализа импульсных сигналов и демодуляции цифровых и аналоговых типов модуляций, что также позволяет работать со сложными сигналами.

В специализированном приложении для анализа импульсов VSE-K6 обработке подвергается поток I/Q-данных, получаемый по протоколу LAN от подключенного анализатора спектра или осциллографа. Прибор R&S®VSE можно установить непосредственно на осциллограф. Заметим, что у современных анализаторов спектра среднего и высокого классов представление оцифрованного сигнала в квадратурном виде - распространенная и во многих случаях стандартная функциональная особенность. Однако осциллографы R&S RTO - единственные на рынке, оснащенные интерфейсом для передачи I/Q-данных. В сочетании с программной опцией RTO-K11 осциллограф захватывает сигналы и выводит соответствующие I/Q-данные в ПО VSE-K6 с регулируемой частотой дискретизации.

Дополнительные возможности для анализа сигналов дает запись IQ-данных, что фактически обеспечивает полную информацию о сигнале в некотором частотном диапазоне за отведенный временной интервал. Анализ IQ-данных может осуществляться на компьютере в среде VSE или на любой другой подходящей платформе (например, в MatLab). Полоса захвата при IQ-анализе ограничена памятью носителя данных и полосой пропускания измерительного прибора.

Результаты измерений, полученных описанным образом, являются наиболее полными и позволяют увидеть характеристики во временной и частотной областях. Они обеспечат более ясное понимание особенностей формирования радиоимпульсов в приемопередающем устройстве РЛС. Кроме того, скорость получения всего набора необходимых параметров, как в случае использования только одного прибора, так и в ситуации, когда одновременно необходимо осуществлять измерения на нескольких приборах или установках, существенно выше в сравнении с классическими, ручными методами. Кроме того, очень важно учитывать, что R&S®VSE не привязывается к конкретному серийному номеру прибора, и, следовательно, не ограничивает количество подключенных приборов. Следовательно, использование такого программного продукта позволяет оснастить необходимыми опциями сразу все измерительные приборы, поддерживаемые ПО, что обеспечивает не только удобство использования, но и существенную экономию средств при оснащении измерительных лабораторий.

Примеры измерений импульсных сигналов с помощью ПО R&S®VSE

Рассматривая типовые задачи измерения параметров импульсных сигналов, заметим, что их характерные частоты могут не только значительно превышать рабочую полосу осциллографов, но и находиться внутри нее. Первый случай характерен для измерений выходных сигналов средств радиолокации, например в Х-диапазоне, второй преимущественно относится к измерению сигналов РЛС на последней промежуточной частоте [1], но рабочие полосы РЛС имеются в L-диапазоне частот (1-2 ГГц), а также на более низких частотах. Строго говоря, отсюда возникают две независимые измерительные задачи, каждая из которых имеет специфичное решение.

Рассмотрим случай классического измерения характеристик импульсных сигналов в Х-диапазоне частот с использованием анализатора спектра. В состав измерительной установки, схема которой приведена на рисунке 1а, включены векторный генератор R&SSMW200A с полосой частот формируемого сигнала 100 кГц...20 ГГц и анализатор сигналов R&SFSVA40 с диапазоном рабочей частоты 10 Гц...40 ГГц. Для передачи высокочастотного сигнала использовался фазостабильный кабель, обеспечивающий согласование и низкие потери в широкой полосе частот.

Рис. 1. Схемы выполнения экспериментов: а) классический анализ импульсного сигнала с использованием анализатора спектра;
Рис. 1. Схемы выполнения экспериментов: а) классический анализ импульсного сигнала с использованием анализатора спектра;

Рис. 1. Схемы выполнения экспериментов: б) анализ импульсного сигнала с использованием анализатора спектра и программного пакета R&S®VSE;
Рис. 1. Схемы выполнения экспериментов: б) анализ импульсного сигнала с использованием анализатора спектра и программного пакета R&S®VSE;

Рис. 1. Схемы выполнения экспериментов: в) классический анализ импульсного сигнала с помощью осциллографа;
Рис. 1. Схемы выполнения экспериментов: в) классический анализ импульсного сигнала с помощью осциллографа;

Рис. 1. Схемы выполнения экспериментов: г) анализ импульсного сигнала с помощью осциллографа и программного пакета R&S®VSE;
Рис. 1. Схемы выполнения экспериментов: г) анализ импульсного сигнала с помощью осциллографа и программного пакета R&S®VSE;

Рис. 1. Схемы выполнения экспериментов: д) комплексный анализ импульсного сигнала во временной и частотной областях с одновременным использованием анализатора спектра, осциллографа и специального ПО
Рис. 1. Схемы выполнения экспериментов: д) комплексный анализ импульсного сигнала во временной и частотной областях с одновременным использованием анализатора спектра, осциллографа и специального ПО

С помощью векторного генератора были сформированы радиоимпульсы длительностью 20 мкс с периодом 2 мкс, с частотой несущей 10 ГГц и мощностью 0 дБм. Общий вид спектрограммы такого сигнала представлен на рисунке 2, из которого следует, что спад спектральных составляющих до уровня менее -30 дБ относительно уровня на центральной частоте наблюдается вне полосы шириной около 400 МГц.

Рис. 2. Общий вид спектрограммы исследуемого радиосигнала
Рис. 2. Общий вид спектрограммы исследуемого радиосигнала

На рисунке 3 представлены результаты измерений. Период следования импульсов определяется как величина, обратная частотному разнесению между соседними спектральными линиями, длительность импульсов равна интервалу между центральной частотой спектра и первой нулевой спектральной линией. Измеренные значения названных параметров составляют 19,2 и 1,997 мкс, соответственно, что отвечает настройкам генератора сигналов.

Рис. 3. Результаты измерений периода и длительности импульсов по спектрограмме с использованием маркеров
Рис. 3. Результаты измерений периода и длительности импульсов по спектрограмме с использованием маркеров

Одной из значимых характеристик импульсных сигналов РЛС является время нарастания мощности, за которое мощность меняется в интервале 10-90% от номинального значения. Для измерения этого параметра анализатор сигналов следует перевести в режим с нулевой полосой обзора, а также установить линейную шкалу отсчета амплитуды сигнала, как показано на рисунке 4. Измерения проводились для полосы разрешения 3 и 10 МГц.

Рис. 4. Результаты измерений времени нарастания выходной мощности сигнала с помощью анализатора спектра при полосе разрешения: а) 3 МГц;
Рис. 4. Результаты измерений времени нарастания выходной мощности сигнала с помощью анализатора спектра при полосе разрешения: а) 3 МГц;

Рис. 4. Результаты измерений времени нарастания выходной мощности сигнала с помощью анализатора спектра при полосе разрешения: б) 10 МГц
Рис. 4. Результаты измерений времени нарастания выходной мощности сигнала с помощью анализатора спектра при полосе разрешения: б) 10 МГц

В результате маркерных измерений для указанных значений полос разрешения получены значения времени нарастания 129 и 55 нс, соответственно. Это расхождение определяется тем, что полоса исследуемого сигнала значительно превосходит полосу разрешения. Таким образом, для более точного измерения времени нарастания необходимо выполнить анализ в более широкой полосе частот.

Теперь рассмотрим процесс измерения параметров радиоимпульсов с использованием программного пакета R&S®VSE. Для передачи информации между компьютером и R&SFSVA40 используется стандартный LAN-интерфейс, что при необходимости позволяет работать с прибором удаленно. Измерения начинаются с выбора импульсного режима в приложении (см. рис. 5). Далее следует ввести значение несущей частоты исследуемого сигнала.

Рис. 5. Выбор импульсного режима в программном пакете R&S®VSE
Рис. 5. Выбор импульсного режима в программном пакете R&S®VSE

После установки связи между компьютером и анализатором спектра и выбора режима импульсного анализа сразу же начинается процесс измерений. На рисунке 6 в правом верхнем окне приведены значения времени нарастания, длительности и периода, измеренные для ряда импульсов, захваченных/записанных за установленное время развертки. Таким образом, имеется возможность получать статистику об этих характеристиках радиоимпульса.

Рис. 6. Результаты анализа сигналов во временной области с помощью программного пакета R&S®VSE
Рис. 6. Результаты анализа сигналов во временной области с помощью программного пакета R&S®VSE

Важным моментом является то, что при работе с программой R&S®VSE используется массив IQ-данных, сформированный для полосы частот 100 МГц, для чего в R&SFSVA40 предусмотрен специальный тракт обработки сигналов. Этим обеспечивается высокая точность измерений времени нарастания, которое в данном случае составляет около 8,6 нс.

Пример одновременного анализа радиоимпульсов во временной и в частотной областях приведен на рисунке 7. Согласно маркерным измерениям, длительность импульсов, измеренная по первому минимуму спектра, составляет 1,996 мкс.

Рис. 7. Результаты одновременного анализа сигналов во временной и в частотной областях с помощью программного пакета R&S®VSE
Рис. 7. Результаты одновременного анализа сигналов во временной и в частотной областях с помощью программного пакета R&S®VSE

Таким образом, еще одним преимуществом использования программного пакета R&S®VSE является возможность одновременных измерений временных и частотных параметров радиоимпульсов с автоматической, а не ручной установкой настроек. Это важно при проведении большого объема измерений.

Далее рассмотрим примеры анализа импульсных сигналов, относящихся к L-диапазону частот. Пусть такой сигнал имеет несущую с частотой 1 ГГц, а длительность и период повторения радиоимпульсов составляют 2 и 10 мкс, соответственно. Для измерения характеристик такого сигнала можно использовать осциллограф с достаточной полосой рабочих частот. В качестве такого решения применялся осциллограф R&SRTO2034 с четырьмя каналами и рабочим диапазоном до 3 ГГц. Схема проведения измерений представлена на рисунке 1в. Результат измерений периода повторения импульсов, представленный на рисунке 8, в точности соответствует настройкам генератора. Цветовая диаграмма характеризует мгновенную мощность сигнала внутри импульса.

Рис. 8. Измерение периода следования радиоимпульсов с помощью курсоров
Рис. 8. Измерение периода следования радиоимпульсов с помощью курсоров

Осциллографы серии R&SRTO имеют встроенную функцию быстрого преобразования Фурье, благодаря чему возможен анализ сигналов и в частотной области. Реализация таких измерений показана на рисунке 9. Соседние составляющие спектра отстоят друг от друга на 100 кГц, что соответствует периоду 10 мкс. Результат измерения длительности импульса по «первому нолю» соответствует 5 мкс.

Рис. 9. Совмещенный режим анализа радиоимпульсов во временной и в частотной областях
Рис. 9. Совмещенный режим анализа радиоимпульсов во временной и в частотной областях

Таким образом, представленный количественный анализ характеристик исследуемого сигнала возможен и с помощью осциллографов, если частоты РЛС находятся в пределах их рабочей полосы. Однако эти измерения осложняются большим количеством настроек и допущений, которые могут привести к ошибочным результатам измерений. В частности, к ошибкам может привести наличие внутриимпульсной модуляции, которая используется в сигналах большинства современных РЛС. Кроме того, невысокое вертикальное разрешение, характерное для большинства современных широкополосных осциллографов, накладывает дополнительные ограничения на доступный динамический диапазон анализа при использовании БПФ.

Аналогичные измерения могут выполняться и с помощью программного пакета R&S®VSE. Для их осуществления использовалась схема, показанная на рисунке 1г. Осциллограф R&SRTO2034 подключался к компьютеру по LAN-интерфейсу. Для начала измерений необходимо выбрать средство измерений в меню (см. рис. 10).

Рис. 10. Выбор средства измерений в меню программного пакета R&S®VSE
Рис. 10. Выбор средства измерений в меню программного пакета R&S®VSE

Настройки R&S®VSE позволяют выполнять измерения с разной полосой анализа на основе передаваемых осциллографом IQ-данных. На рисунке 11 показаны результаты измерений, полученные при полосе анализа 100 и 1000 МГц. В первом случае значение времени нарастания составляет 7,9 нс, а во втором - 2,3 нс, что еще раз подчеркивает важность правильной оценки необходимой полосы при измерении временных параметров сигналов РЛС. Полосы в 1000 МГц достаточно для анализа сигналов практически любых используемых современных средств радиолокации, исключая разве что уникальные разработки [1].

Рис. 11. Результаты измерений параметров радиоимпульсов с использованием осциллографа R&SRTO2034 и программного пакета R&S®VSE при полосе измерений: а) 100 МГц;
Рис. 11. Результаты измерений параметров радиоимпульсов с использованием осциллографа R&SRTO2034 и программного пакета R&S®VSE при полосе измерений: а) 100 МГц;

Рис. 11. Результаты измерений параметров радиоимпульсов с использованием осциллографа R&SRTO2034 и программного пакета R&S®VSE при полосе измерений: б) 1000 МГц
Рис. 11. Результаты измерений параметров радиоимпульсов с использованием осциллографа R&SRTO2034 и программного пакета R&S®VSE при полосе измерений: б) 1000 МГц

Кроме рассмотренных преимуществ, состоящих в ускорении измерений параметров радиосигналов, программный пакет R&S®VSE позволяет объединять результаты измерений, полученные с разных приборов, чем достигается синергетический эффект, состоящий в повышении точности измерений за счет выгодного использования упомянутых достоинств анализаторов спектра и осциллографов. Примером этого могут служить измерения параметров сигнала с внутриимпульсной модуляцией. При их проведении использовалась схема измерений, представленная на рисунке 1д. В ней применялся СВЧ-делитель мощности Mini-CircuitsZX10R-14-S на частоты до 10 ГГц. Фотография измерительной установки приведена на рисунке 12.

Рис. 12. Фотография измерительной установки с анализатором спектра R&SFSVA и осциллографом R&SRTO2034
Рис. 12. Фотография измерительной установки с анализатором спектра R&SFSVA и осциллографом R&SRTO2034

Генератор в составе схемы измерений формировал сигнал с внутриимпульсной линейной частотной модуляцией с частотой несущей 1 ГГц. После соответствующей настройки программы R&S®VSE временные характеристики измерялись на основе IQ-данных, поступающих с осциллографа, а спектрограмма, из соображений использования максимального динамического диапазона, строилась по данным от анализатора спектра. Результаты такого комплексного анализа представлены на рисунке 13.

Рис. 13. Результаты комплексного анализа сигнала с внутриимпульсной модуляцией с использованием анализатора спектра R&SFSVA, осциллографа R&SRTO2034 и программного пакета R&S
Рис. 13. Результаты комплексного анализа сигнала с внутриимпульсной модуляцией с использованием анализатора спектра R&SFSVA, осциллографа R&SRTO2034 и программного пакета R&S

Приведенные примеры измерений показывают, что потенциал для измерений временных и частотных параметров радиоимпульсов, имеющийся у анализаторов спектра и осциллографов среднего класса, может использоваться существенно эффективнее и в большей мере, если классические измерения дополнить возможностями современного программного анализа, в частности, с помощью программного пакета R&S®VSE.

Выводы

Инженерам, занимающимся отладкой приемопередающих радиолокационных устройств, следует особо учитывать спектр всех доступных возможностей для используемых средств измерений. Применение современных программных методик обработки цифровых сигналов существенно влияет на точность значений измеряемых параметров, позволяет увеличить производительность измерительных установок и, что немаловажно, повысить технико-экономическую эффективность решения, когда в качестве источника первичной информации применяются приборы среднего ценового сегмента.

При таком подходе классические методики, основанные на полностью ручных настройках, дают менее воспроизводимые результаты и в значительной мере зависят от опыта и квалификации оператора.

Статья опубликована в журнале "Электронные Компоненты" №9-2017.

Литература

1. Ширман Я. Д., Багдасарян С. Т., Маляренко А. С. и др. Радиоэлектронные системы. Основы построения и теория. Под ред. Ширмана Я. Д. М. Радиотехника. 2007.

2. Братчиков А. Н., Васин В. И., Василенко О. О. и др. Активные фазированные антенные решетки. Под ред. Воскресенского Д. И., Канащенкова А. И. М. Радиотехника. 2004.

3. Таблица распределения полос радиочастот между радиослужбами РФ, утвержденная постановлением правительства РФ №1049-34 от 21.12.11 г.

4. Бузов А. Л., Быховский М. А., Васехо Н. В. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем. Под ред. Быховского М. А. М. Экотрендз. 2006.


Источники:

  1. www.elcomdesign.ru








© Сенченко Антонина Николаевна, Злыгостев Алексей Сергеевич, 2010-2018
При копировании обязательна установка активной ссылки:
http://rateli.ru/ 'rateli.ru: Радиотехника'