4 种测量雷达信号脉冲调制的方法

现代雷达信号利用脉冲内调制或脉冲调制（MOP），例如线性调频（LFM）或某种形式的相位调制（例如双相巴克码），来提高距离分辨率。它们还包含脉冲调制，以占用更多带宽，从而降低截获概率（POI）。此外，脉冲内调制还可以包含某种形式的通信或数据传输，例如在敌我识别（IFF）系统的二次监视雷达（SSR）中。这些系统采用各种MOP技术，例如频移键控（FSK）或相移键控（PSK）。其他LPI技术包括脉冲间调制，例如脉冲间跳频。

尽管这些技术为雷达系统带来了显著优势，但也带来了新的测量挑战和要求。测试和测量仪器必须具备宽采集带宽，并能在时域和频域进行矢量信号分析。这使得雷达工程师和研究人员能够同时考察脉冲的标量特性（上升和下降时间、脉冲宽度、脉冲重复频率以及其他时域特性）和脉冲及脉冲序列的矢量或调制特性（脉冲内部和脉冲之间的频率和相位偏差，以及脉冲内调制技术的调制分析）。

在这篇短文中，我们将探讨运行在实时频谱分析仪和宽带示波器上的泰克软件如何帮助您对雷达信号进行以下四项测量：

· 振幅与时间的关系

· 相位与时间

· 频率与时间

· 更复杂的调制方案，例如BPSK、QPSK、QAM 等。

振幅与时间的关系

上升时间和下降时间的测量有两种不同的定义。许多测量方法使用满幅值的10% 到 90% 作为过渡时间的定义，但在某些情况下，定义范围为 20% 到 80%。泰克SignalVu 软件允许用户选择其中一种定义，如下图所示：

这些点被定义为脉冲波形上的电压点。然而，即使定义如此灵活，仍然不够。如何确定脉冲的顶部会极大地影响过渡时间的定义。如果脉冲顶部平坦，则可以根据信号功率超过特定阈值来计算脉冲持续时间，不会出现问题。但是，如果脉冲顶部倾斜或下垂，则软件可能会错误地计算下降时间。假设脉冲在其持续时间内下降了20%。上升过渡点位于顶部最高点的 90%，因此软件会报告正确的上升时间。但是，由于脉冲下垂，“下降”的 90% 点将位于脉冲的中间位置，因此下降时间将非常不准确。SignalVu 包含一个补偿选项来解决这个问题。

图1. 50% 水平定义

脉冲波形“50%点”的定义有两种标准。基带脉冲测量通常假定脉冲的起始点和结束点是电压波形的50%点（图1）。然而，对射频调制脉冲的测量有时假定50%点是以射频功率而非电压表示的。SignalVu软件允许用户选择使用哪种定义来定义脉冲的起始点和结束点（图2）。这些设置会影响脉冲宽度、周期、频率偏差和误差、相位偏差和误差、纹波、下垂、导通功率以及脉冲间相位和频率的测量结果。

图2. SignalVu 捕获脉冲并显示上升时间和下降时间

相位与时间

在简单的相位-时间图中，相位参考点是采集记录的起始点。SignalVu 软件利用该参考点绘制相位与采样点数（以时间表示）的关系图。

图3 右侧显示的是频率随时间变化的曲线，左侧显示的是同一采集过程的相位随时间变化的曲线。信号为单脉冲，采用 Barker 编码相位调制。相位图显示了脉冲内的各个相位段。需要注意的是，对于这种编码，第一段和第二段之间以及第三段和第四段之间的相位值保持不变，这使得图中看起来有两个相位段的宽度是其他相位段的两倍。

图3. 右侧显示频率与时间的关系图，左侧显示同一采集过程的相位与时间的关系图。

频率图显示出非常大的频率突变，这是因为相位调制存在两个问题。首先，各个频段本身的相位并不连续。这虽然不会影响相位图，但会在相位变化的瞬间造成较大的瞬时频率调制。这种不连续性是一种非常短暂的宽带频谱“飞溅”，它可能在极短的时间内超出允许的频谱范围，干扰附近频率的设备，甚至可能为该雷达系统产生可识别的“特征信号”。

第二个问题是，该发射机上似乎几乎没有带宽限制滤波器。这加剧了这些相位不连续性。如果进行了滤波，频率响应曲线就会变得平坦。

对于相位-时间图，需要注意的是，由于相位参考点是采集记录的起始点，如果记录起始于脉冲内（触发），则不同采集之间的相位可能相似。但如果记录起始点是随机的，则相位参考点位于脉冲间噪声中。这将导致不同采集之间的相位参考点出现较大的随机变化。

频率与时间

频率-时间显示功能可以测量任何单个输入信号（包括脉冲）的频率。与任何调频检测器一样，它会测量其检测带宽内所有信号的组合，因此用户应限制仪器的捕获带宽，以排除除目标信号之外的任何其他信号。

SignalVu 软件通过测量每个采样点的相位来计算频率随时间的变化，然后将两个相邻采样点之间的相位变化除以这两个采样点之间的时间间隔，公式为“f = ∆ Ø / ∆t”。图 4 显示了频率从一个采样点到下一个采样点的变化曲线，横轴为时间，方便用户查看。需要注意的是，由于这只是相位变化随时间的变化曲线，因此无需参考时间（主仪器的时基除外），并且频率曲线显示的是绝对频率。

图4. 相邻样本频率变化图

通用调制测量

数字调制信号的分析更为复杂，因为测量内容包括脉冲的幅度和相位，并将其与特定的离散幅度和相位组合（符号）进行比较。这些测量通常需要用户输入调制类型、符号速率以及测量和参考滤波器参数，如图5 所示。

图5. 对数字调制信号进行分析需要输入调制类型、符号速率以及测量和参考滤波器参数。

随后，该仪器可以更精确地执行测量，并显示符号星座图、误差图、信号质量和解调后的符号表。图6 左侧显示了高阶 QAM 脉冲的星座图，右侧显示了信号质量和频谱图。

图6. 左侧为高阶 QAM 脉冲的星座图，右侧为信号质量和频谱图。

泰克公司提供种类繁多的适用于雷达脉冲的测试设备。其中包括具有专用脉冲测量功能和高达70 GHz 测量带宽的仪器，以及具有雷达脉冲合成能力、瞬时带宽接近 15 GHz 的信号发生设备。