雷达测量与信号分析基础——第五部分

从根本上讲，雷达可以被描述为一种时域现象。最简单的解释是，雷达信号从发射到照射目标并“反射”回接收器所需的时间。该信号可以是连续波，也可以是具有特定任务目标的脉冲序列。然而，脉冲的上升和下降时间、所使用的调制类型以及发射放大器的特性都会在频域中产生各种各样的响应。雷达信号还需要在拥挤甚至受干扰的环境中进行测试——其中一项关键任务是验证其对其他信号干扰、阻塞和杂波的抗干扰能力。

传统上，时域测量使用示波器进行，而频谱分析仪最适合频域测量。然而，测量仪器架构的进步改变了这种现状：现在，示波器可以进行宽带频域分析，而频谱分析仪则可以分析调频(FM) 信号的时域特性。 

传统上，示波器一直是检测电压随时间变化的主要工具。这对于理解脉冲或脉冲序列的行为至关重要。如今，示波器的性能水平参差不齐；一台基本型示波器的带宽可能为200 MHz，因此它非常适合分析频率响应低于 200 MHz 的脉冲，无论是未调制脉冲还是低频慢调制脉冲。然而，入门级示波器的带宽有限，这意味着诸如互调失真之类的退化效应会被自然地滤除。

现代高性能示波器的带宽范围可达70 GHz，能够捕捉多种谐波和其他基于频率的失真机制。而且，无需使用检波器，示波器即可捕获和分析发射频率，帮助您了解短脉冲/脉冲和宽带信号调制的特性。

对于短脉冲/短脉冲信号，示波器架构的进一步改进也提升了其利用快速采集模式分析这些信号的能力。该模式缩短了波形采集之间的死区时间，从而能够捕获和显示瞬态事件。快速采集结合持续波形特性，还可以显示不同强度的现象，以反映其发生频率。

混合域示波器可以带来额外的触发优势，能够同时触发和采集多个通道的信号。这使得模拟域、数字域和射频域的信号采集在时间上是相关的，并且可以观察射频信号的频谱和矢量特性如何随时间变化，以及模拟信号和数字信号的变化。

对瞬态/脉冲系统进行频域特性测量需要一种特定的频谱分析方法。虽然扫频频谱分析仪具有宽广的频率和动态范围，但模数转换器 (ADC) 和信号处理技术的进步，在提供诸多相同优势的同时，还能进行宽带宽的时域采集，然后使用快速傅里叶变换 (FFT) 进行后处理。时域采集能够非常快速地显示信号，通常被称为实时测量。实时测量能力除了速度优势外，还具有高质量的持续显示、频域触发和波形存储等功能，这些功能可以提供更高水平的测量能力和更深入的洞察。

下图展示了脉冲雷达信号在频域的一些基本测量结果。图中清晰地显示了脉冲在频域中的sin(x)/x响应。此外，如前所述，较长的脉冲具有较小的波瓣，而较短的脉冲具有较宽的波瓣。利用实时显示和余辉显示技术，不仅可以观察频率和频率响应，还可以增强对脉冲重复频率（PRF）的观察能力。

脉冲宽度和重复频率的频谱图测量。

由于频率与时间成反比关系，因此可以利用频谱分析仪的频域显示来确定基本的脉冲定时参数。脉冲重复时间（脉冲周期）是较大频谱包络内细间隔谱线之间频率间隔的倒数。脉冲宽度是频谱包络内零点之间频率间隔的倒数。

频谱分析仪与示波器的区别在于，示波器的带宽通常取决于模数转换器(ADC) 的技术和系统的采样率。频谱分析仪则利用某种形式的频率转换（通常是超外差法）来产生一个以窄带 ADC 的频率带宽为中心的中频。由于带宽与动态范围成反比，频谱分析仪具有更宽的动态范围，使用户能够在存在大信号的情况下查看非常小的信号。相比之下，带宽为 18 GHz 的示波器的动态范围低于频率范围为 18 GHz 的频谱分析仪。然而，18 GHz 的示波器可以捕获整个瞬时带宽（直流至 18 GHz），而频谱分析仪例如可以瞬时捕获中心频率 9 GHz 周围 +/- 400 MHz 的频率范围。

就像示波器可以通过执行快速傅里叶变换(FFT) 并显示频域频谱来转换时域数据一样，频谱分析仪也可以显示时域测量信息。一旦将频谱分析仪调谐到合适的中心频率，所需的测量数据就可以在频域或时域中显示。 

由于频谱分析仪的时域测量受限于ADC 的带宽，因此在上述示例频谱分析仪的时域中可以观察到的最大 LFM 扫描范围为 800 MHz。

频谱分析仪的另一个特点是，它允许您调整采集带宽，从而使用分辨率带宽滤波器进行更具选择性的测量。这将有效地降低显示的噪声水平。例如，3 kHz 分辨率带宽滤波器的噪声基底比 30 kHz 分辨率带宽滤波器低 10 dB。

新的未必是最好的——许多新型号的频谱分析仪都模仿了阴极射线管（CRT）的显示特性，而阴极射线管曾是世纪之交之前频谱分析仪的显示设备。阴极射线管利用磁控电子枪将电子束发射到涂有荧光粉的屏幕上。屏幕会先亮起，然后随着时间的推移逐渐衰减。

下图展示了采用荧光粉模拟技术的典型显示效果。如果没有荧光粉模拟技术，屏幕只会显示较大的线性调频(LFM) 信号，而连续波 (CW) 信号则会从左上方“凸显”出来。但采用荧光粉模拟技术后，可以看到第二个功率较低的 LFM 信号，其频率与 LFM 信号重叠。此外，还可以观察到几个单频脉冲载波和两个连续波 (CW) 干扰信号。

同一频段内出现多个啁啾声。
与示波器类似，频谱分析仪也具备自动脉冲测量功能，可提高信号细节和测量重复性。某些频谱分析仪功能更强大，能够存储长达两小时的采集数据，从中识别脉冲，并测量每个脉冲的全套参数，例如时序、频率和相位参数。此外，还可以对结果进行进一步处理，以显示趋势或识别发射机。

选择合适的乐器

示波器和频谱分析仪都是测量时域和频域性能的优秀工具，测量能力也大致相当，但由于仪器架构的差异，二者在某些测量应用中各有优势。示波器可以拥有高达数十GHz的超宽采集带宽，但代价是动态范围和灵敏度较低，因此非常适合捕捉快速瞬态事件，例如窄脉冲/脉冲和大范围频率扫描。现代频谱分析仪可以调谐到特定频率，然后在数十MHz到小于1GHz的范围内采集信号，并具有更高的动态范围和灵敏度，使其成为宽带频谱分析、杂散信号搜索、互调和谐波分析的理想工具。

以下是泰克公司雷达测量解决方案的简要概述：

信号生成

借助目前速度最快的任意波形发生器，您可以轻松自信地为您的应用生成独特的信号。

实时频谱分析仪

我们的宽带信号分析仪提供高达800 MHz 带宽的实时频谱分析，并可在全带宽下连续存储长达 2 小时的数据。RSA 系列实时频谱分析仪拥有独特的功能，包括DPX 实时射频显示和高级脉冲测量套件，可帮助您快速、自信地验证发射机设计。

示波器

以最低噪声和最高保真度捕获高达70 GHz 的信号，确保对信号的真实特性进行最精确的测量。使用我们的SignalVu 矢量分析软件和示波器套件，您可以使用与实时频谱分析仪相同的工具分析高达 70GHz 宽的信号。

脉搏图分析软件

电子对抗（CM）技术通过扭曲、调整或伪造脉冲测量的某个方面（例如脉冲宽度、频率或相位特性、脉冲重复频率、线性调频模式、目标数量等）来干扰雷达系统。脉冲图分析软件可以帮助用户了解雷达的正常行为，并识别需要同时在频域和时域分析多个脉冲的电子对抗技术。