雷达测量与信号分析基础——第四部分

生成雷达信号是信号发生器面临的最具挑战性的任务之一。信号的载波频率、调制带宽以及（在大多数情况下）脉冲特性，共同构成了一系列难以高效匹配的要求。为了模拟基于相控阵天线或近年来兴起的MIMO架构的多天线雷达系统，必须生成多个具有严格时序和相位对准的信号。

传统上，雷达信号的生成是通过基带信号发生器和射频/微波调制器实现的。然而，泰克AWG70000系列任意波形发生器（AWG）可提供高达50GS/s的采样率、10位垂直分辨率、20GHz可用带宽、16GSample波形存储器以及出色的无杂散动态范围（SFDR）特性。这种性能水平可以直接生成现代雷达所需的全调制射频/微波信号。大多数性能较低的AWG或传统矢量信号发生器（VSG）都无法满足这些要求。

使用AWG70000 系列产品相比传统方案，可提供更高的信号质量、成本效益和更好的重复性。AWG可通过三种基本方法生成雷达信号：

AWG 可以使用三种基本方法生成信号，如下所示。

基带生成——任意波形发生器 (AWG) 生成时域信号，并将其施加到射频调制器。对于简单的信号，单通道 AWG 输出可直接施加到幅度调制器 (AM)。对于具有复杂数字调制或快速频率扫描（啁啾）的更复杂信号，载波的幅度和相位都必须瞬时控制。在这种情况下，最简单、最灵活的解决方案是使用具有两个基带信号的正交调制器。

中频 (IF) 生成– 任意波形发生器 (AWG) 生成一个载波频率相对较低的调制信号。通常，该信号可以直接输入到接收机或发射机中的信号处理模块。在涉及最终射频/微波频率的情况下，需要一个上变频器模块来达到最终的载波频率。

直接射频生成——任意波形发生器 (AWG) 生成最终射频/微瓦频率的调制载波。除了常规滤波器或放大器之外，无需额外的信号处理模块。

每种方法都有其优点和缺点。

对于大多数基带和中频信号，采样率在几GS/s的任意波形发生器（AWG）就足够了，但最终射频/微瓦信号的调制带宽会受到调制器或上变频器的限制，而且宽带正交调制对I/Q不平衡或正交误差非常敏感。因此，需要经过仔细校准后进行精确对准，才能产生足够质量的信号。

直接信号生成需要速度极快的AWG，例如 AWG7000，其采样率至少比信号的最大频率分量高 2.5 倍，而最新一代的泰克 AWG 已经能够实现这样的速度，并且可以在 Ku 波段（12-18GHz）之外提供高质量的信号生成。

基带信号生成

任意波形发生器(AWG) 既可以生成无失真信号，也可以生成失真信号。人为引入的失真可以补偿外部失真，从而改善平坦度和群延迟响应。这种补偿通常采用预加重滤波器的形式，用于校正信号生成系统的整体低通频率响应。由于高频分量被提升，信号的低频分量必须被衰减，以保持峰峰值在数模转换器 (DAC) 的可用动态范围内。

任意波形发生器(AWG) 的最大采样率对信号质量影响巨大。最佳实践是将 AWG 的采样率设置得远高于给定信号的最小奈奎斯特采样率。这种过采样可以从多个方面提高信号质量，包括更平坦的频率响应、镜像抑制、更低的量化噪声和更低的脉冲间抖动。事实上，过采样的主要缺点是需要更大的内存——这也是为什么长记录长度对于高速 AWG 至关重要的原因。AWG70000 拥有 16 GSample 的波形内存，其 50 GS/s 的采样率几乎是同类产品（采样率为 12 GS/s，波形内存容量为 2 GSample）的两倍。

信号模拟

在设计雷达子系统时，系统的其他部分通常无法使用。通过使用现成的通用测试设备来模拟其他子系统，可以在受控信号条件下对被测设备进行测试。

使用宽带任意波形发生器（例如下图所示的发生器）可以模拟杂乱的露天环境。实时频谱分析仪捕获了各种信号，例如宽带和窄带线性调频（LFM）信号、窄带连续波（CW）信号和跳频雷达信号。在与雷达信号相同的频段内，还可以观察到一些通信信号和其他干扰信号。

由任意波形发生器(AWG) 产生的宽带环境。
雷达发射机测试包括对各种测试信号进行广泛的评估。在许多情况下，评估涉及数百甚至数千个脉冲，然后使用统计技术进行分析。下图所示的测试结果评估了在任意波形发生器(AWG) 上构建的交错 PRI 连续波 (CW) 脉冲波形的 2000 个脉冲的 PRI 值。直方图提供了 PRI 测量值分布的统计视图，而脉冲表和脉冲波形可用于查看每个脉冲的测量值。

该测试结果评估了在任意波形发生器(AWG) 上构建的交错式 PRI 连续波脉冲波形的 2000 个脉冲集上的 PRI 性能。

直接载波生成

理想的任意波形发生器（AWG）可以产生从直流到采样率一半（Fmax = Fs/2）的任何信号。如果采样率足够高，则可以直接生成调制射频信号。此前，由于采样率相对较低且无杂散动态范围（SFDR）较差，高速AWG只能产生几GHz的载波。

与传统的基带/外部调制器组合相比，直接生成具有以下优势：

·基带生成和正交调制是通过数学方法实现的。

·无需额外设备。

·单个AWG 可以产生多个不同的载波或宽带噪声，因此可以使用单个仪器获得更真实的测试场景。

·简化的校准程序。

尽管这些优势显著，但该架构的实际应用也存在一些缺陷。其中一个重要问题是记录长度的要求。对于给定的记录长度(RL)，可实现的最大时间窗口 (TW = RL/Fs) 与采样率 (Fs) 成反比。由于直接射频信号的采样率需要高于基带信号信号的采样率，因此相同的记录长度意味着可实现的时间窗口更短。

对于包含交错脉冲序列、跳频模式或由目标运动或天线振动引起的时变回波特性的复杂雷达系统而言，记录长度至关重要，以便进行逼真的模拟。

宽带信号在高带宽下可能还需要一些线性失真来补偿平坦度和相位线性度问题，包括电缆和互连造成的问题。仅基于幅度响应进行校正可以改善调制质量，但为了获得最佳性能，相位响应补偿也必不可少。直接载波生成还需要极佳的采样时钟抖动性能，因为这会直接导致生成的载波出现相位噪声。

某些应用，例如MIMO 雷达信号生成，需要多个通道。所有通道都必须同步，因此它们必须共享同一个采样时钟，并且时间对齐。任何时间差或通道间抖动都会导致信号质量下降。当需要同步多个仪器时，标准化的同步方法和相应的固件（例如 AWG70000 系列信号发生器提供的固件）可以大大简化对齐任务，并显著提高重复性和可靠性。

总而言之，泰克最新的任意波形发生器(AWG) 可以直接生成高达 20GHz 最终载波频率的复杂雷达信号。这一能力得益于数模转换器 (DAC) 转换性能的最新突破。即使是最复杂的频率捷变或 MIMO 雷达系统，现在也可以通过直接射频生成，结合深度波形存储和通道间的时间校准，在单个发生器或多个同步单元之间进行模拟。