前言
隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)的任務(wù)不僅是測(cè)量目標(biāo)的距離、方位和仰角，而且還包括測(cè)量目標(biāo)速度，以及從目標(biāo)回波中獲取更多有關(guān)目標(biāo)的信息。雷達(dá)是利用目標(biāo)對(duì)電磁波的發(fā)射（或稱為二次散射）現(xiàn)象來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定其位置的。老式雷達(dá)發(fā)射波形簡(jiǎn)單，采用機(jī)械天線，信號(hào)處理簡(jiǎn)單。這種雷達(dá)存在的問題是抗干擾能力差，無法在復(fù)雜環(huán)境下使用等問題。
由于航空、航天技術(shù)的飛速發(fā)展，飛機(jī)、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星及宇宙飛船等采用雷達(dá)作為探測(cè)和控制手段，對(duì)雷達(dá)提出了高精度、遠(yuǎn)距離、高分辨率及多目標(biāo)測(cè)量要求，新一代雷達(dá)對(duì)雷達(dá)原有技術(shù)作了相當(dāng)大的改進(jìn)，其中頻率捷變和脈沖壓縮技術(shù)、采用編碼擴(kuò)頻的低截獲概率雷達(dá)技術(shù)、動(dòng)態(tài)目標(biāo)顯示和脈沖多普勒技術(shù)是非常重要的新技術(shù)。20世紀(jì)70年代后研制的新型雷達(dá)大部分采用了脈沖壓縮的體制。圖1是脈沖壓縮雷達(dá)的簡(jiǎn)化圖。
圖1：脈沖壓縮雷達(dá)簡(jiǎn)化圖
圖1中，雷達(dá)發(fā)射機(jī)（Transmitter）采用數(shù)字合成或其他技術(shù)產(chǎn)生功率脈沖，其波形是脈沖寬度為τ、重復(fù)頻率為Tτ的高頻脈沖串。在脈沖內(nèi)部采用線性調(diào)頻或相位編碼調(diào)制等技術(shù)。雷達(dá)接收機(jī)（Receiver）把雷達(dá)回波下變頻到中頻，通過脈沖壓縮濾波器（Pulse Compression Filter）后，脈沖被壓縮，壓縮的脈沖經(jīng)過基帶變換器（Synchronous I/Q Detector）變成基帶I與Q信號(hào)后使用ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)被送到信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理和分析。
現(xiàn)代雷達(dá)最常用兩種脈沖壓縮方式是線性調(diào)頻和巴克碼調(diào)制。下面介紹如何用寬帶雷達(dá)信號(hào)分析儀進(jìn)行線性調(diào)頻和巴克碼調(diào)制雷達(dá)信號(hào)的矢量分析。所謂矢量分析是相對(duì)于標(biāo)量分析而言的，不僅僅分析雷達(dá)信號(hào)的振幅－頻率、振幅－時(shí)間特性，還分析相位－頻率、相位－時(shí)間、群延遲、解調(diào)特性等。
寬帶示波器變身寬帶雷達(dá)分析儀
安捷倫的Infiniium示波器結(jié)合89601矢量信號(hào)分析軟件組成了寬帶雷達(dá)分析儀，能夠從脈沖，基帶，中頻和射頻/微波各種角度進(jìn)行雷達(dá)的多種測(cè)量和分析，主要包括：
1、雷達(dá)的脈沖參數(shù)測(cè)試，如上升時(shí)間、脈沖寬度及穩(wěn)定度、脈沖間隔及穩(wěn)定度等；
2、雷達(dá)的脈沖抖動(dòng)，時(shí)鐘、PLL抖動(dòng)等測(cè)試和分析；
3、雷達(dá)的脈內(nèi)初始相位測(cè)試；
4、雷達(dá)信號(hào)的矢量分析；
5、雷達(dá)接收機(jī)I/Q通道一致性測(cè)試；
6、雷達(dá)各類放大器的寬頻測(cè)試和在線測(cè)試等。
Infiniium示波器有600MHz～1GHz帶寬（4GSa/s采樣率），2GHz～7 GHz帶寬（20GSa/s采樣率），10GHz～13GHz帶寬（40GSa/s采樣率）多種選擇。結(jié)合89601矢量信號(hào)分析軟件，分析帶寬最高達(dá)到13GHz，成為名副其實(shí)的寬帶雷達(dá)分析儀。
89601本是用在安捷倫89600系列矢量信號(hào)分析儀的分析軟件，現(xiàn)在也可以直接裝在Infiniium示波器內(nèi)部，結(jié)合Infiniium示波器的硬件，進(jìn)行矢量信號(hào)、瞬變信號(hào)的分析，把Infinium示波器從時(shí)域測(cè)試，擴(kuò)展到頻域，解調(diào)域，甚至碼域的測(cè)試和分析。圖2是89601結(jié)合Infiniium示波器組成的寬帶雷達(dá)分析儀的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)。
圖2：寬帶雷達(dá)分析儀的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)
信號(hào)通過電纜或示波器的探頭（使用示波器探頭可以進(jìn)行在線測(cè)試）進(jìn)入示波器，在示波器內(nèi)部會(huì)先通過衰減器和前置放大器，然后信號(hào)被耦合到ADC進(jìn)行數(shù)字化，數(shù)字化的波形可以直接進(jìn)行顯示，或通過I/Q轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波變成I與Q信號(hào)（可以直接顯示I與Q信號(hào)）；再把時(shí)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換得到頻域數(shù)據(jù)；時(shí)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)處理即可進(jìn)行解調(diào)分析，比如顯示星座圖，或顯示碼域數(shù)據(jù)等。由圖可見，寬帶雷達(dá)分析儀實(shí)際上是一個(gè)硬件與軟件結(jié)合的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理過程，因?yàn)锳DC有足夠高的實(shí)時(shí)采樣速率（高達(dá)40GSa/s），所以寬帶雷達(dá)分析儀有足夠高的分析帶寬，最高到13GHz。
89601還支持用戶自定義數(shù)學(xué)函數(shù)編輯，更加強(qiáng)了對(duì)矢量信號(hào)和雷達(dá)信號(hào)的分析功能。自定義數(shù)學(xué)函數(shù)包括：magnitude（量值）,real（實(shí)部）,conj（共軛）,fft（傅立葉變換）,ifft（反傅立葉變換）,phase（相位）等等，而且函數(shù)對(duì)象可以是不同種類的Trace Data蹤跡數(shù)據(jù)或data register數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)。函數(shù)之間運(yùn)算包括：+、-、x、/（加減乘除）。這樣我們可以對(duì)捕獲的信號(hào)進(jìn)行各種復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算而不需要把測(cè)試結(jié)果導(dǎo)出89601，利用其他軟件如Matlab等來處理。
線性調(diào)頻雷達(dá)矢量分析
線性調(diào)頻LFM是最常見的脈沖壓縮技術(shù)之一。圖3左邊部分是LFM脈沖壓縮原理，右邊部分是Chirp雷達(dá)信號(hào)的總體狀況窗口。
圖3：線性調(diào)頻LFM脈沖壓縮技術(shù)和Chirp雷達(dá)信號(hào)的總體狀況窗口
如圖3左邊部分所示，脈沖寬度為PW，脈內(nèi)線性調(diào)頻的雷達(dá)信號(hào)經(jīng)過脈沖壓縮濾波器后，脈沖寬帶被壓縮為PW_comp，脈沖壓縮比為：
(1)
同時(shí)有時(shí)間旁瓣電平SLL出現(xiàn)，SLL是脈沖壓縮的品質(zhì)尺度。
脈沖壓縮濾波器是關(guān)聯(lián)濾波器，在89601里，可以通過Math函數(shù)功能實(shí)現(xiàn)，因而就容易直接測(cè)試和分析雷達(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)射的LFM脈沖壓縮信號(hào)的旁瓣電平SLL了。
如圖3右邊部分所示，可以直接使用寬帶雷達(dá)分析儀顯示Chirp雷達(dá)信號(hào)的總體狀況：包括頻譜，脈沖包絡(luò)，星座圖，F(xiàn)M特性等，可以使用Marker功能測(cè)試線性調(diào)頻LFM的帶寬，對(duì)稱度和線性度等。
為了測(cè)試SLL，我們使用89601的自定義數(shù)學(xué)函數(shù)功能編輯測(cè)試值與理想值之間的頻域關(guān)聯(lián)函數(shù)，用此函數(shù)來仿真雷達(dá)接收機(jī)的脈沖壓縮濾波器。
而Ideal是存在Data Register D1中的理想LFM波形數(shù)據(jù)。
window是執(zhí)行FFT變換的窗口函數(shù)，這兒用Hanning漢寧窗口。在窗口中給出了輸入到Math中的表達(dá)式。
然后用Matlab來建立理想LFM波形數(shù)據(jù)，長(zhǎng)度與被測(cè)波形數(shù)據(jù)一樣長(zhǎng)：
（3）
采樣間隔（或采樣率）與測(cè)量時(shí)同樣的采樣間隔（或采樣率）：
（4）
SS89601為采樣間隔（Sample Spacing），SR89601為采樣率（Sample Rate），Span為掃寬。
然后，參考幫助中的“Creating A Recording Using an ASCII Editor”增加文件格式頭。產(chǎn)生的文件如下表所示，并把產(chǎn)生的文件導(dǎo)入到89601里的Data Register D1中。
表1：用Matlab產(chǎn)生的理想LFM波形數(shù)據(jù)
這樣，我們就得出如圖4中的測(cè)試結(jié)果，得出SLL具體數(shù)值，同時(shí)得出理想的SLL具體數(shù)值，也可以查看理想的FM和測(cè)試的FM情況。
圖4：線性調(diào)頻Chirp雷達(dá)的SLL測(cè)試
那么如何具體測(cè)量Chirp誤差呢？
（5）
在89601里，這可以表達(dá)為測(cè)量值與理想值振幅上的誤差比率或測(cè)量值與理想值相位上的不同。
對(duì)于FM誤差，我們可以使用時(shí)間上的群延遲函數(shù)進(jìn)行直接測(cè)量：
對(duì)于相位誤差測(cè)量，可以調(diào)整觸發(fā)延遲，去除時(shí)間偏置引起的相位偏置。圖5即為如此處理后的Chirp誤差測(cè)量結(jié)果。
圖5：Chirp雷達(dá)LFM誤差測(cè)試結(jié)果
巴克碼雷達(dá)矢量分析
巴克碼調(diào)制也是最常見的脈沖壓縮技術(shù)之一。圖6中左邊部分是巴克碼脈沖壓縮的示意圖，右邊部分是巴克碼雷達(dá)信號(hào)的總體查看。
圖6：巴克碼脈沖壓縮技術(shù)和巴克碼雷達(dá)信號(hào)的總體查看
如圖6左邊部分所示，巴克碼是二進(jìn)制相位編碼，經(jīng)過脈沖壓縮濾波器或關(guān)聯(lián)濾波器后：
峰值旁瓣<=幅值的1/N （其中N是巴克碼的長(zhǎng)度）
旁瓣電平SLL是其品質(zhì)尺度，容易用89601中的數(shù)學(xué)函數(shù)功能來實(shí)現(xiàn)SLL的測(cè)量。
如圖6右邊部分所示，BPSK時(shí)域波形與常值包絡(luò)相似（圖的上部），同時(shí)具有0度或180度的相位轉(zhuǎn)換（圖的中部）。我們可以直接測(cè)試脈沖內(nèi)的相位轉(zhuǎn)換特性來分析巴克碼調(diào)制的結(jié)果。
更好的方法是利用89601的數(shù)字解調(diào)器功能來簡(jiǎn)化分析，其中解調(diào)分析中的符號(hào)速率為：
（6）
打開89601的數(shù)字解調(diào)器后，89601可以直接測(cè)試調(diào)制品質(zhì)，或EVM（矢量幅度誤差）。89601的數(shù)字解調(diào)器有非常強(qiáng)大的功能，能夠直接鎖定載波和符號(hào)數(shù)據(jù)，能夠解出具體的符號(hào)數(shù)據(jù)，能夠得出理想的調(diào)制特性等等。打開數(shù)字解調(diào)器后，可以顯示如圖7所示的各種波形，得出EVM測(cè)試結(jié)果。
圖7：打開89601數(shù)字解調(diào)器后，直接測(cè)試巴克碼調(diào)制品質(zhì)EVM
我們可以使用Math自定義數(shù)學(xué)函數(shù)功能來進(jìn)行SLL測(cè)試。在Math里進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理。
（7）
其中，理想IQ波形ref(t)已經(jīng)由89601的數(shù)字解調(diào)器得出來，我們就不需要再用Matlab等工具編輯產(chǎn)生了。conj是共軛函數(shù)。在Math里，輸入具體關(guān)聯(lián)函數(shù)如下：
得出SLL的測(cè)量結(jié)果如圖8所示，得出SLL為－24dB。
圖8：巴克碼雷達(dá)SLL測(cè)量結(jié)果
總結(jié)
從上面的兩種典型脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)測(cè)量分析中，我們可以看出Infiniium矢量示波器或?qū)拵Ю走_(dá)分析儀能夠進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)的矢量分析。
89601本身已經(jīng)有各種功能進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)的測(cè)量和分析，比如：頻譜，相位，I/Q星座圖等，如果打開數(shù)字解調(diào)器功能，分析功能將更多，比如：EVM，解碼，得出理想波形等；如果我們?cè)倮?9601的自定義數(shù)學(xué)函數(shù)功能，可以把89601的功能擴(kuò)展，比如做誤差分析，SLL分析等。
Infiniium矢量示波器或?qū)拵Ю走_(dá)分析儀因?yàn)槔昧藢?shí)時(shí)示波器的捕獲和采集功能，可以直接測(cè)試分析基帶，中頻，射頻/微波信號(hào)，而且分析帶寬非常高，最高到13GHz。另外，使用示波器的高阻有源探頭，還可以支持在線測(cè)試，在不影響系統(tǒng)的運(yùn)行條件下進(jìn)行在線測(cè)量和分析。
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