用宽带示波器进行雷达信号的矢量分析

前言

随着雷达技术的发展，雷达的任务不仅是测量目标的距离、方位和仰角，而且还包括测量目标速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的信息。雷达是利用目标对电磁波的发射（或称为二次散射）现象来发现目标并测定其位置的。老式雷达发射波形简单，采用机械天线，信号处理简单。这种雷达存在的问题是抗干扰能力差，无法在复杂环境下使用等问题。

由于航空、航天技术的飞速发展，飞机、导弹、人造卫星及宇宙飞船等采用雷达作为探测和控制手段，对雷达提出了高精度、远距离、高分辨率及多目标测量要求，新一代雷达对雷达原有技术作了相当大的改进，其中频率捷变和脉冲压缩技术、采用编码扩频的低截获概率雷达技术、动态目标显示和脉冲多普勒技术是非常重要的新技术。20世纪70年代后研制的新型雷达大部分采用了脉冲压缩的体制。图1是脉冲压缩雷达的简化图。

图1：脉冲压缩雷达简化图

图1中，雷达发射机（Transmitter）采用数字合成或其他技术产生功率脉冲，其波形是脉冲宽度为τ、重复频率为Tτ的高频脉冲串。在脉冲内部采用线性调频或相位编码调制等技术。雷达接收机（Receiver）把雷达回波下变频到中频，通过脉冲压缩滤波器（Pulse Compression Filter）后，脉冲被压缩，压缩的脉冲经过基带变换器（Synchronous I/Q Detector）变成基带I与Q信号后使用ADC进行模数转换，转换后的数字信号被送到信号处理机进行数字信号处理和分析。

现代雷达最常用两种脉冲压缩方式是线性调频和巴克码调制。下面介绍如何用宽带雷达信号分析仪进行线性调频和巴克码调制雷达信号的矢量分析。所谓矢量分析是相对于标量分析而言的，不仅仅分析雷达信号的振幅－频率、振幅－时间特性，还分析相位－频率、相位－时间、群延迟、解调特性等。

宽带示波器变身宽带雷达分析仪

安捷伦的Infiniium示波器结合89601矢量信号分析软件组成了宽带雷达分析仪，能够从脉冲，基带，中频和射频/微波各种角度进行雷达的多种测量和分析，主要包括：

1、雷达的脉冲参数测试，如上升时间、脉冲宽度及稳定度、脉冲间隔及稳定度等；

2、雷达的脉冲抖动，时钟、PLL抖动等测试和分析；

3、雷达的脉内初始相位测试；

4、雷达信号的矢量分析；

5、雷达接收机I/Q通道一致性测试；

6、雷达各类放大器的宽频测试和在线测试等。

Infiniium示波器有600MHz～1GHz带宽（4GSa/s采样率），2GHz～7 GHz带宽（20GSa/s采样率），10GHz～13GHz带宽（40GSa/s采样率）多种选择。结合89601矢量信号分析软件，分析带宽最高达到13GHz，成为名副其实的宽带雷达分析仪。

89601本是用在安捷伦89600系列矢量信号分析仪的分析软件，现在也可以直接装在Infiniium示波器内部，结合Infiniium示波器的硬件，进行矢量信号、瞬变信号的分析，把Infinium示波器从时域测试，扩展到频域，解调域，甚至码域的测试和分析。图2是89601结合Infiniium示波器组成的宽带雷达分析仪的数据处理结构。

图2：宽带雷达分析仪的数据处理结构

信号通过电缆或示波器的探头（使用示波器探头可以进行在线测试）进入示波器，在示波器内部会先通过衰减器和前置放大器，然后信号被耦合到ADC进行数字化，数字化的波形可以直接进行显示，或通过I/Q转换和数字滤波变成I与Q信号（可以直接显示I与Q信号）；再把时域的数据进行FFT变换得到频域数据；时域的数据进行解调处理即可进行解调分析，比如显示星座图，或显示码域数据等。由图可见，宽带雷达分析仪实际上是一个硬件与软件结合的数据采集和数据处理过程，因为ADC有足够高的实时采样速率（高达40GSa/s），所以宽带雷达分析仪有足够高的分析带宽，最高到13GHz。

89601还支持用户自定义数学函数编辑，更加强了对矢量信号和雷达信号的分析功能。自定义数学函数包括：magnitude（量值）,real（实部）,conj（共轭）,fft（傅立叶变换）,ifft（反傅立叶变换）,phase（相位）等等，而且函数对象可以是不同种类的Trace Data踪迹数据或data register数据寄存器数据。函数之间运算包括：+、-、x、/（加减乘除）。这样我们可以对捕获的信号进行各种复杂的数字信号处理运算而不需要把测试结果导出89601，利用其他软件如Matlab等来处理。

线性调频雷达矢量分析

线性调频LFM是最常见的脉冲压缩技术之一。图3左边部分是LFM脉冲压缩原理，右边部分是Chirp雷达信号的总体状况窗口。

图3：线性调频LFM脉冲压缩技术和Chirp雷达信号的总体状况窗口

如图3左边部分所示，脉冲宽度为PW，脉内线性调频的雷达信号经过脉冲压缩滤波器后，脉冲宽带被压缩为PW_comp