使用混合域示波器進(jìn)行雷達(dá)分析

隨著無線技術(shù)的應(yīng)用日益普遍，設(shè)計(jì)工程師必須同時(shí)檢測這兩個(gè)領(lǐng)域的信號?；旌嫌蚴静ㄆ鞯恼Q生從根本上改變了RF設(shè)計(jì)的調(diào)試與測試的方法，泰克在一臺儀器中同時(shí)提供了示波器和頻譜分析儀功能，并且提供獨(dú)創(chuàng)的混合域觸發(fā)與時(shí)間相關(guān)的信號分析。新的MDO4000 混合域示波器系列有助于工程師捕獲時(shí)間相關(guān)的模擬、數(shù)字和射頻信號，獲得完整的系統(tǒng)級視圖。目前已經(jīng)有大量的資料描述MDO4000混合域示波器的結(jié)構(gòu)及其可以怎樣用于某些常見的應(yīng)用，如RFID、Zigbee、藍(lán)牙、WIFI、電源設(shè)計(jì)的噪聲源查找、PLL鎖相的過程、RF功率啟動與關(guān)閉的瞬態(tài)信號跟蹤、RFFE 等等，這里就不再贅述。本文將介紹如何使用MDO4104-6 分析寬帶線性調(diào)頻雷達(dá)系統(tǒng)。

圖1.泰克MDO4000系列混合域示波器

雷達(dá)設(shè)計(jì)中有哪些常見測量？目前使用哪些工具？為什么要使用MDO4000混合域示波器分析雷達(dá)？

從本質(zhì)上看，雷達(dá)信號可以是RF突發(fā)的調(diào)諧的脈沖。雷達(dá)設(shè)計(jì)中的典型問題是距離和分辨率之間的矛盾問題。簡言之，寬脈寬的信號包含足夠的RF能量，能夠遠(yuǎn)距離傳送到標(biāo)靶。問題在于，如果有多個(gè)標(biāo)靶，長脈沖會使各個(gè)反射變得模糊。換言之，寬脈寬的特點(diǎn)是觀測距離遠(yuǎn)，但分辨率差。如果縮窄脈寬，那么分辨率將改善，但距離將變短。

解決方案是脈沖壓縮。讓脈沖寬，但在脈沖中進(jìn)行一些獨(dú)特的處理，使您能夠區(qū)分多個(gè)反射。其中最常用的技術(shù)之一是線性調(diào)頻。如果脈沖的中心頻率是4GHz，那么在3.97GHz啟動信號，掃描到4.03GHz，而不是播放純粹的4 GHz。許多雷達(dá)系統(tǒng)采用窄線性調(diào)頻，寬度在10MHz-50MHz。但是，為了實(shí)現(xiàn)更好的空間分辨率，您的線性調(diào)頻要更寬?，F(xiàn)代雷達(dá)的線性調(diào)頻帶寬可以達(dá)到500MHz以上！

怎樣測試?yán)走_(dá)？通?？梢宰鳛闃?biāo)準(zhǔn)雷達(dá)測試各個(gè)器件(發(fā)送/接收模塊、天線器件、等等)，安裝已知良好的器件，并進(jìn)行評估。但是，使用被測器件本身通常并不理想，因此市面上流行的工具為進(jìn)行性能評估提供了專用雷達(dá)模塊。

對調(diào)頻帶寬在100MHz以下的雷達(dá)，可以使用頻譜分析儀測量雷達(dá)特性。泰克生產(chǎn)數(shù)字實(shí)時(shí)頻譜分析儀(RSA)，可以把RF脈沖向下變頻到基帶信號，作為數(shù)字I和Q存儲數(shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)中，可以進(jìn)行各種測量。泰克RSA6000和RSA5000系列可以執(zhí)行27種不同的標(biāo)量和矢量脈沖測量。標(biāo)量表示基于幅度隨時(shí)間變化的測量，如脈沖上升時(shí)間、寬度、占空比、紋波、衰落、等等。矢量表示頻率偏差、頻率誤差、脈沖響應(yīng)、相位偏差和脈沖到脈沖相位誤差等測量。

圖2.泰克RSA5000系列實(shí)時(shí)頻譜分析儀

對更寬帶寬的雷達(dá)，一般使用實(shí)時(shí)數(shù)字示波器采集信號。泰克生產(chǎn)的示波器擁有足夠的采樣率，能夠采樣RF載波。只要擁有足夠的帶寬，就可以采樣自己的信號。泰克新推出的DPO/DSA70000D示波器目前的實(shí)時(shí)帶寬達(dá)到33GHz，幾乎可以采集和分析任何信號。在與專用軟件包(如泰克SignalVu軟件)結(jié)合使用時(shí)，其可以進(jìn)行同樣27種矢量和標(biāo)量測量。

圖3.全球最高測量精確度的泰克DPO/DSA70000D系列

全世界似乎對標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)、頻譜分析儀和示波器都感到滿意，那么混合域示波器在雷達(dá)診斷中發(fā)揮的作用是什么呢？

● 便攜性和尺寸。混合域示波器深僅5"，重只有11磅，攜帶起來比大型儀器要容易得多。前面提到的頻譜分析儀和示波器的重量可能會超過50磅，尺寸相當(dāng)于一小件行李。
● 成本相當(dāng)?shù)?。通常來說，實(shí)驗(yàn)室只能承受和購買一臺高端頻譜分析儀或高帶寬示波器。不管是哪款儀器，價(jià)格都要超過10萬美元。而MDO4000混合域示波器的起價(jià)在23,000美元，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室都買得起，遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比購買一臺混合信號示波器加一臺頻譜分析儀更便宜。
● 最重要的是，MDO4000混合域示波器為用戶提供了獨(dú)特的能力，不僅可以分析雷達(dá)信號，還可以分析雷達(dá)系統(tǒng)中存在的其它數(shù)字門信號和定時(shí)信號。

MDO4000混合域示波器有4條帶寬高達(dá)1 GHz的模擬通道，另外還有16條數(shù)字通道和1個(gè)RF輸入。RF輸入頻率范圍最高為6GHz，另有3GHz的型號。實(shí)時(shí)頻譜捕獲帶寬保證為1GHz或以上(最高為3GHz，是一般掃頻頻譜分析儀的100-300倍)。它還可以解碼最多4條總線，如MIL-STD-1553、I2C、RS-232、RS-422、RS-485等。

注意，MDO4000混合域示波器并不是要代替帶有SignalVu這類專用雷達(dá)分析軟件的示波器，如泰克DPO/MSO5000、7000和70000示波器。SignalVu可以進(jìn)行明顯多得多的測量，特別是在脈沖式雷達(dá)方面，包括脈沖到脈沖頻率差、脈沖到脈沖相位差、脈沖上的頻率誤差、脈沖響應(yīng)，并可以分析最多10,000個(gè)連續(xù)脈沖。MDO4000混合域示波器不能復(fù)現(xiàn)這種強(qiáng)大詳細(xì)的分析能力，因此這兩種工具在RF工具臺上實(shí)際發(fā)揮著不同的作用。下面的實(shí)例在示波器上運(yùn)行SignalVu，分析連續(xù)脈沖參數(shù)，顯示最多10,000個(gè)脈沖中這些參數(shù)的直方圖，并顯示了線性調(diào)頻的脈沖響應(yīng)頻譜。

圖4.高帶寬示波器上的SignalVu－對雷達(dá)信號進(jìn)行大量的單通道分析。

與運(yùn)行SignalVu的示波器進(jìn)行的分析相比，MDO4000混合域示波器完成的是一個(gè)分析子集，但這是一個(gè)重要的子集，通常涵蓋基本需求，同時(shí)增加多通道時(shí)間相關(guān)功能。

圖5.泰克MDO4104-6混合域示波器

在下面的畫面中，我們得到多條曲線。從上面開始，首先是中心頻率為4GHz、線性調(diào)頻帶寬為500 MHz的雷達(dá)信號的幅度隨時(shí)間的變化。這與傳統(tǒng)頻譜分析儀上的“零跨度”(Zero Span)類似，但沒有任何一臺頻譜分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)500MHz零跨度顯示。它標(biāo)為"A"，表示"幅度隨時(shí)間變化"。它下面的曲線標(biāo)為"f"，表示"頻率隨時(shí)間變化"。它顯示了脈沖期間的頻率偏差。這條曲線有的地方是空白的，因?yàn)槲覀冊诿}沖沒有啟動時(shí)靜噪了頻率畫面。

這個(gè)信號下面是發(fā)送脈沖觸發(fā)信號(通道1)，然后是脈沖期間有效的數(shù)字門信號(通道2)，然后是返回脈沖的接收觸發(fā)信號(通道3)，然后是所有數(shù)字門的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(通道4)。為節(jié)約空間，沒有顯示這些曲線，但可以把16條額外的數(shù)字通道分配給系統(tǒng)中多個(gè)門信號。

我們觸發(fā)了RF突發(fā)(參見右下角-9dBm處的RF觸發(fā))，進(jìn)行了一系列自動測量。包括：測量了雷達(dá)的上升時(shí)間(4.957us)、脈寬(31.35us)、占空比(18.8%)和PRF(5.99kHz)。還測量了從TX觸發(fā)上升沿到包絡(luò)開始的延遲(15.15us)，以及從RF脈沖下降沿到接收門上升沿的延遲(7.773us)。另外我們還在頻率隨時(shí)間變化上進(jìn)行了峰峰值測量，顯示線性調(diào)頻的504MHz頻率偏差。最后，測量了系統(tǒng)時(shí)鐘，運(yùn)行頻率為120MHz。

另外注意，在觸發(fā)RF突發(fā)的上升沿時(shí)，MDO4000混合域示波器還觸發(fā)其它脈沖特性。可以把示波器設(shè)置成觸發(fā)窄脈沖、寬脈沖、欠幅脈沖(沒有達(dá)到全部幅度的脈沖)、甚至漏掉的脈沖。甚至還可以把示波器的觸發(fā)設(shè)置為RF突發(fā)脈沖存在，但On-Gate信號沒有存在時(shí)觸發(fā)(可以使用“邏輯”觸發(fā))。普通示波器或頻譜分析儀是不能觸發(fā)所有這些條件的。

下面我們將顯示相同的數(shù)據(jù)，但我們把屏幕分開，也顯示脈沖的RF頻譜。大家可以看到，第二個(gè)脈沖下面的橙色條指明了我們在哪里進(jìn)行FFT。為了更好地查看線性調(diào)頻雷達(dá)的FFT，您需要把窗口函數(shù)設(shè)置成Rectangular，因?yàn)镵aiser在頻域中看上去就象一串尖峰。通過這一畫面，我們可以使用手動標(biāo)記，測量占用帶寬。從4.235到3.735，我們得到500MHz。我們還可以移動頻譜分析窗口，顯示脈沖關(guān)閉時(shí)間，查看脈沖沒有活動時(shí)的頻譜外觀。

只有MDO4000混合域示波器能夠同時(shí)捕獲高頻RF信號和較慢的門控制信號，并且在時(shí)間軸將它們互相關(guān)連起來。假設(shè)我們要分析4GHz的窄帶雷達(dá)。頻譜分析儀可以進(jìn)行大量的分析，但不能采集其它相關(guān)信號，如數(shù)字門信號。實(shí)時(shí)示波器可以采集RF信號和其它信號，但捕獲深度有限，并且平均噪聲電平、動態(tài)范圍、諧波雜訊等指標(biāo)都要比一般的頻譜儀或混合域示波器要差。如果實(shí)時(shí)示波器以50GS/s數(shù)字化，并標(biāo)配10M點(diǎn)存儲器，那么它只能捕獲200us的數(shù)據(jù)。即使在最大存儲容量時(shí)，它仍只能捕獲5ms的RF數(shù)據(jù)。如果降低采樣率，我們可以捕獲更多的時(shí)間，但采樣率不夠高來獲得RF數(shù)據(jù)。我們怎樣才能同時(shí)查看4GHz RF信號和100MHz時(shí)鐘信號呢？

盡管MDO4104-6實(shí)現(xiàn)了RF信號、模擬信號和數(shù)字信號的時(shí)間相關(guān)，但模數(shù)轉(zhuǎn)換器都是獨(dú)立與示波器的。因此在RF通道捕獲4GHz脈沖信號的同時(shí)(1GB的獨(dú)立RF存儲能夠記錄最多75ms的RF時(shí)域數(shù)據(jù))，模擬通道此時(shí)仍可以以500MS/s速度運(yùn)行，只需20M的存儲深度就可以記錄同樣時(shí)間長度的時(shí)鐘信號其后就可以進(jìn)行頻域與時(shí)域的混合域分析。

混合域示波器是一種全新的儀器類別。當(dāng)然，在雷達(dá)分析中，它們不會代替頻譜分析儀或傳統(tǒng)數(shù)字示波器。MDO4000混合域示波器這種工具以較小的尺寸/較低的價(jià)位把部分關(guān)鍵功能疊加在一起，同時(shí)增加了任何其它平臺上沒有提供的創(chuàng)新功能：
1.業(yè)界首創(chuàng)：內(nèi)置頻譜分析儀的新一代示波器
2.業(yè)界首創(chuàng)：在任何時(shí)間點(diǎn)上查看模擬、數(shù)字、總線與射頻信號并其關(guān)連
3.業(yè)界首創(chuàng)：頻譜時(shí)間
4.業(yè)界首創(chuàng)：保證1GHz以上的實(shí)時(shí)頻譜捕獲帶寬
5.業(yè)界首創(chuàng)：跨域與射頻觸發(fā)
6.業(yè)界首創(chuàng)：11個(gè)自動峰值測量光標(biāo)
7.業(yè)界首創(chuàng)：頻率、幅度與相位隨時(shí)間的變化軌跡
8.業(yè)界首創(chuàng)：RF探頭、電流、電壓、差分探頭的適配器