Методы формирования и анализа сверхширокополосных сигналов на базе оборудования Keysight Technologies. Часть 1

Для многих сигналов радиолокационных систем (РЛС) характерны широкие полосы частот. Для модулированных импульсов, импульсов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) может потребоваться гигагерцовая полоса частот, требующая широкополосного испытательного оборудования.

Другим общим требованием к испытательному оборудованию для РЛС является низкий уровень фазового шума. Доплеровские РЛС часто измеряют скорость изменения фазы во времени, поскольку их радиолокационные импульсы не могут быть достаточно длинными, чтобы проинтегрировать циклы приращения частоты. При выполнении этих прецизионных измерений изменения фазы фазовый шум должен быть очень низким, что предъявляет жёсткие требования к характеристикам фазового шума измерительных приборов.

Другой проблемой для испытательных систем РЛС могут быть высокие требования к динамическому диапазону. Обычно эти требования возникают из-за больших потерь сигнала на пути распространения от передатчика до возвратного эхо-сигнала.

Многие преимущества использования сжатия импульсов для лучшего разрешения и однозначного определения дальности часто вызывают необходимость синтеза сложных форм испытательных сигналов. В дальнейшем уровень сложности увеличивается в связи с необходимостью учёта доплеровских сдвигов в РЛС, которые определяют скорость.

Ещё одной проблемой, стоящей перед разработчиками РЛС, является повсеместное использование РЛС, характеристики которых определяются программным обеспечением. Многие современные типы РЛС требуют тестовых сигналов и измерений не только в традиционной аналоговой форме на ВЧ, но и в цифровых форматах. Такое многоформатное испытание представляет реальную проблему при необходимости получения хорошего соответствия между результатами измерений цифровых сигналов и аналоговыми измерениями.

Полномасштабное испытание системы часто является основной проблемой для оборудования РЛС, радиотехнической разведки (РТР) и радиоэлектронной борьбы (РЭБ). Прежде всего, это вопрос стоимости испытательного оборудования. Например, для моделирования доплеровских сдвигов, мешающих эхо-сигналов и других элементов сигнала при испытании бортовой корабельной РЛС управления огнём требуется корабль и несколько испытательных самолётов. Чтобы корректно выполнить испытания системы целеуказания, их стоимость может достигать десятков тысяч долларов за один час работы.

Многие РЛС используют системы с фазированной антенной решёткой. Эти антенные системы используют распределение моментов времени прихода волнового фронта среди многих антенных портов для управления положением главного лепестка диаграммы направленности антенны. Это требует тестовых сигналов и измерений, обеспечивающих много каналов, фазово-когерентных и фазорегулируемых источников сигналов или анализаторов. Так называемая испытательная система для многоканальной антенной решётки (Multi-Channel Array Test System) ставит перед инженерами-испытателями РЛС вполне реальные проблемы.

Рассмотрев некоторые из основ радио-локационных систем и связанные с ними проблемы испытаний, остановимся на уникальных свойствах испытательного оборудования компании Keysight, которое значительно облегчает решение некоторых сложных испытательных задач. В первой части статьи рассмотрим генерацию тестовых сигналов для РЛС.

Генерация тестовых сигналов

Во многих случаях при разработке и производстве РЛС требуются широкополосные микроволновые генераторы сигналов. Они используются для таких приложений, как замена стабилизированного гетеродина (STALO), испытания когерентного гетеродина (COHO) и имитация излучения цели.

Создание точной модели сигналов, принимаемых РЛС, является достаточно сложной задачей. Современные генераторы сигналов и генераторы сигналов произвольной формы, использующие цифровую обработку сигналов (ЦОС), способны создавать моделируемые сигналы источников излучения и электромагнитную обстановку с реалистичным ухудшением качества передачи и искажениями в тракте распространения сигналов, которые достоверно моделируют удалённые цели. Однако при использовании готовых генераторов сигналов и сигналов произвольной формы моделируемые сигналы обычно не являются когерентными по отношению к приёмнику РЛС. Несмотря на это, некогерентные сигналы являются эффективным средством тестирования пассивных РЛС, мультистатических РЛС и систем радиоэлектронного противодействия (ECM).

В прошлом полоса частот была основным ограничением для большинства генераторов сигналов произвольной формы. В самых последних моделях эта проблема в значительной степени решена для большинства применений. Например, генератор сигналов произвольной формы M8190A обеспечивает разрешение 14 бит при частотах дискретизации до 8 Гвыб/с и 12 бит – при частотах дискретизации до 12 Гвыб/с. За счёт этого обеспечивается возможность генерации сигналов в полосах частот до 5 ГГц, свободных от эффекта наложения. Используя технику комбинирования и преобразования частоты, можно получить даже более широкие полосы частот, свободные от эффекта наложения.

Важным параметром при выборе генератора сигналов произвольной формы является динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (SFDR). На него влияет разрешение (число бит), обеспечиваемое цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) внутри генератора сигналов произвольной формы. Кроме того, он зависит от качества схемы преобразования частоты, которая переносит сигнал произвольной формы в микроволновый диапазон частот.

Теоретически возможное приращение SFDR составляет максимум 6,02 дБ на каждый бит разрешения ЦАП. Однако на практике для ЦАП часто используется термин «эффективное число бит» (ENOB), или «эквивалентное число бит». С учётом проблем, связанных с нелинейностью преобразования ЦАП, действительное приращение SFDR на бит будет меньше, чем теоретическое значение 6,02 дБ.

Широкополосные ЦАП также несут потери из-за явления, которое характеризуется спадом плоской части АЧХ в пределах полосы пропускания, что ещё больше снижает динамический диапазон на высокочастотном конце полосы. Кроме того, функция дискретизации имеет спад характеристики по закону sinx/x. Поэтому частотная характеристика генератора сигналов произвольной формы спадает с увеличением частоты; но поскольку этот спад является свойством, присущим функции дискретизации, он не принимается во внимание при нормировании SFDR. Таким образом, если SFDR нормирован на уровне 75 дБ, это в общем случае относится к самой низкой частоте полосы. На самой верхней частоте полосы динамический диапазон обычно ниже на 5–7 дБ.

Генераторы сигналов произвольной формы и источники сигналов компании Keysight

Достоинство генератора сигналов произвольной формы заключается в его способности воспроизводить практически любые формы сигналов, запрограммированные в его памяти. Генератор сигналов произвольной формы, который способен одновременно обеспечить и высокое разрешение, и широкую полосу частот, упрощает моделирование ситуации, когда РЛС излучает, а цели рассеивают сигнал в пределах некоторого искусственно созданного испытательного полигона, имитирующего сотни кубических километров пространства.

Кроме влияния числа бит и функции дискретизации на потерю SFDR, повышающее преобразование на частоту микроволнового диапазона приводит к ряду проблем при создании сигналов. Это повышающее преобразование может выполняться либо внутренними средствами источника сигнала, либо с помощью отдельного внешнего устройства. При выполнении повышающего преобразования сигнала на нужную частоту с помощью гетеродина (LO) с фиксированной частотой, используя смеситель и набор фильтров, гармоники гетеродина и продукты преобразования комбинируются с полезным сигналом и создают внутриполосные комбинационные составляющие, которые могут существенно ограничить SFDR.

Для получения данных о доплеровском сдвиге частоты или о скорости цели многие РЛС измеряют фазовые сдвиги от импульса к импульсу. Чтобы избежать добавления значительного уровня фазового шума при повышающем преобразовании частоты, генератор сигналов должен также иметь низкий уровень фазового шума.

Компания Keysight предлагает полный набор генераторов сигналов и генераторов сигналов произвольной формы (см. рис. 1) с превосходными характеристиками SFDR и фазового шума. Например, аналоговый генератор сигналов E8257D серии PSG имеет лучшие в отрасли характеристики фазового шума: –143 дБн/Гц (тип.) для сигнала частотой 1 ГГц при отстройке от несущей 10 кГц (опция UNY). Для повышающего преобразования аналоговый генератор серии PSG можно также сконфигурировать с внутренним смесителем либо с внешним смесителем и удвоителем частоты.

Микроволновый векторный генератор сигналов E8267D серии PSG имеет входы I/Q-модуляции и обеспечивает перекрытие по частоте до 44 ГГц (и выше с внешними смесителями). Входы модуляции совместимы с генератором сигналов произвольной формы M8190A. Работая совместно, эти два прибора могут формировать сигналы с полосой 2 ГГц, с частотой до 44 ГГц и с превосходными характеристиками SFDR и фазового шума.

Другим способом переноса частоты является прямое цифровое преобразование вверх, которое обеспечивается лучшими среди современных генераторов сигналов произвольной формы приборами. Широкополосный генератор сигналов произвольной формы, используя этот способ, позволяет непосредственно генерировать сигналы ПЧ. В двухканальном генераторе сигналов произвольной формы M8190A каждый канал имеет отдельное устройство цифрового преобразования вверх, и эти каналы можно использовать в «режиме связанности», чтобы получить фазово-когерентные выходные сигналы. Такие параметры, как несущая частота, амплитуда и форма сигнала, можно устанавливать независимо, а комплексные данные I и Q будут преобразовываться с повышением частоты в требуемый диапазон частот цифровыми методами, обеспечивая превосходное качество сигнала с SFDR, достигающим 80 дБн и уровнем гармонических искажений, не превышающим –72 дБн (оба значения являются типовыми).

Другой важный аспект обсуждения при выборе генератора сигналов произвольной формы или векторного генератора сигналов с возможностями генерации сигналов произвольной формы – конфигурация памяти. Любой из этих типов приборов создаёт сигналы посредством воспроизведения цифровой информации из памяти. Добавление стандартных или опциональных возможностей задания последовательностей и режимов воспроизведения может значительно повысить эффективность использования генератора сигналов.

Самый простой подход к организации памяти сигналов заключается в использовании одного большого блока быстродействующей памяти с произвольной выборкой и воспроизведении сигналов из этой памяти. Это хорошо работает в случае однократных импульсов или очень коротких ВЧ-событий. Следует учесть, что при высоких скоростях передачи данных, требуемых для поддержания частоты дискретизации 12 ГГц и разрешения 12 бит, сигнал должен быть очень коротким. Для обеспечения более длительного времени воспроизведения некоторые производители расширили этот подход. Это дало возможность работать с большими дисковыми массивами (RAID-системами). Подход с использованием одного большого блока памяти воспроизведения сигналов весьма ограничен в применении, поскольку большинство ВЧ-сигналов являются по своей природе периодическими. Даже при использовании объёма памяти, исчисляемого терабайтами, время последовательного воспроизведения может быть ограничено несколькими секундами сигнала.

Решение заключается в том, чтобы организовать для повторяющихся сигналов, таких как импульсные последовательности РЛС, более эффективные возможности доступа к памяти. Для поддержки генерации повторяющихся сигналов быстрая память воспроизведения сигналов может быть организована таким образом, чтобы испускать сегменты сигнала в виде циклов или бесконечной последовательности. Расширенные возможности управления последовательностями, такие как условный переход, позволяют создавать очень сложные сегменты и сценарии. Кроме того, некоторые генераторы сигналов компании Keysight обеспечивают динамическое управление последовательностями, которое поддерживает прямой доступ к сегментам памяти сигнала в реальном времени. При объединении этих возможностей управления с памятью сигналов, памятью достаточно большой, чтобы обеспечить хранение до 2 Гвыб на выходной канал генератора сигналов произвольной формы (генератор M8190A), становится возможным выполнение очень сложных и реалистичных сценариев сигналов с длительным временем воспроизведения.

После того как источник сигнала с полосой частот, SFDR, уровнем фазового шума и возможностями управления последовательностями, которые соответствуют требованиям решаемой задачи, выбран, наступает время для решения следующей задачи – создание цифрового эквивалента требуемой формы сигнала с использованием программных средств, таких как Signal Studio или SystemVue компании Keysight или MATLAB компании The MathWorks.

Создание импульсов для генераторов сигналов компании Keysight

В зависимости от применения, импульсные сигналы РЛС используют широкий набор характеристик:

• длительность импульса;
• период повторения импульсов (PRI) или его обратная величина – частота повторения импульсов (PRF);
• модуляция и многие другие.

Создание приемлемых испытательных сигналов требует серьёзных усилий. Дальнейшее усложнение задачи синтеза импульсных испытательных сигналов связано с созданием системы диагностики.

Типовые задачи включают в себя: имитацию доплеровского сдвига частоты, сдвиг фаз от импульса к импульсу для испытания функций измерения скорости, испытания систем РТР, идентифицирующих источник импульса на основании диаграммы направленности антенны. Чтобы удовлетворить эти потребности, программные средства должны поддерживать формирование многочисленных структур импульсных последовательностей для создания сигналов и обеспечивать широкое разнообразие характеристик антенн, которые можно применять для синтезируемых сигналов. Для решения этих задач компания Keysight разработала программу Signal Studio для создания импульсов N7620B. Интерфейс программы показан на рисунке 2.

Для тестирования компонентов, передатчиков и приёмников РЛС программа Signal Studio для создания импульсов позволяет задавать такие параметры, как период повторения импульсов (PRI), число повторений импульсов, джиттер периода повторения и вобуляцию PRI. Доступные модели PRI включают: постоянный, линейно изменяющийся, произвольно изменяющийся, ступенчато изменяющийся. Джиттер PRI можно определить с гауссовским, равномерным или U-образным распределением. Можно выбрать пилообразную, треугольную или синусоидальную вобуляцию PRI. Эти возможности позволяют проводить ряд тестов приёмника:

• тестирование реакции системы на искажения путём создания модели длительности импульса с джиттером;
• тестирование селекции по дальности и разрешения по дальности/доплеровской неоднозначности с помощью сложных моделей PRI;
• тестирование режимов селектора движущихся целей (MTI) и доплеровского процессора путём ввода сдвига частоты и фазы;
• тестирование способности подавления мешающих отражений путём создания специальных импульсов с мешающими отражениями.

Определения параметров каждого импульса запоминаются в библиотеке и могут быть объединены в модели импульсных последовательностей для синтеза сложных наборов излучений РЛС. После того как параметры импульса введены, следующим шагом следует загрузка данных формы сигнала в генератор сигналов произвольной формы или генератор сигналов. После этого испытательные стимулы будут готовы для воспроизведения.

Моделирование диаграмм сканирования антенн

Программа Signal Studio для создания импульсов позволяет моделировать множество диаграмм сканирования антенн, которые можно применить к форме сигналов. Это свойство особенно полезно для прикладных задач, связанных с РТР и РЭБ, когда тестируемые системы должны быть помещены в среду, насыщенную сигналами, имитирующими реальные, но не существующие цели. Многие из этих систем РТР и РЭБ используют данные диаграммы сканирования антенны для идентификации конкретных целей, сигналы которых обнаружены. Диаграммы сканирования антенн являются в некоторой степени уникальными, поскольку они обычно включают сканирование или перемещение главного лепестка диаграммы направленности антенны в зависимости от назначения РЛС (см. рис. 3).

Например, корабельная РЛС может иметь круговую диаграмму сканирования, чтобы отображать объекты на поверхности океана во всех направлениях. Реактивный истребитель для своей погодной РЛС использует, как правило, прямое секторное сканирование. Управляемая ракета дальнего действия может использовать фазированную антенную решётку для РЛС целеуказания, а ракета, запущенная с корабля, могла бы использовать РЛС с коническим сканированием. Для испытания систем РТР и РЭБ, которые реагируют на такие типы целей, необходима возможность формирования такой структуры импульса, которая имитировала бы сканирующую РЛС.

Программа Signal Studio для создания импульсов компании Keysight поддерживает разнообразные диаграммы сканирования, включая круговую (используемую на кораблях), секторную (используемую на самолётах), коническую (используемую на ракетах) и растровое сканирование (применяемое в системах целеуказания с фазированными решётками).

Чтобы точно имитировать диаграмму сканирования, необходимо принимать в расчёт влияние боковых лепестков диаграммы направленности антенны. Поскольку все направленные антенны РЛС имеют конечные размеры, они создают боковые лепестки некоторой формы, которые расположены вне оси главного лепестка диаграммы направленности. Таким образом, когда РЛС сканирует зону обзора, боковые лепестки опережают главный лепесток, затем работает главный лепесток, и снова боковые лепестки.

Имитация сигналов, представляющих комбинацию амплитудной модуляции, вызванной сканированием антенны и её боковыми лепестками, с модуляцией огибающей импульса и внутренней модуляцией, обусловленной сжатием импульса, может оказаться сложной задачей. С помощью программы Signal Studio для создания импульсов компания Keysight упрощает решение этой задачи, позволяя задавать уровни боковых лепестков антенны, указывать углы и положение цели, скорость сканирования, ширину луча и скорость спада боковых лепестков. Пакет Signal Studio for Pulse Building позволяет задавать диаграмму направленности антенны, используя популярные окна пространственного преобразования. Окна Блэкмана, Хэмминга, Хэннинга, прямоугольное, трёхэлементное (Three-Term), косинусное и даже программируемое доступны для описания пространственного распределения энергии.

Библиотеки импульсных последовательностей

Необходимость генерации импульсных последовательностей с богатым набором свойств для имитации сложных сред систем РТР продолжает расти по мере усложнения оборудования, предназначенного для автоматического реагирования на множественные угрозы. Существует немало каталогов излучений от различных радиолокационных источников. Это позволяет заранее запрограммировать системы РТР и системы целеуказания, чтобы они соответствующим образом реагировали на каждую угрозу. Программа Signal Studio для создания импульсов обеспечивает связь с популярными базами данных, включая электронные таблицы Microsoft Excel, что облегчает импорт характеристик импульсов. Эта удобная функция импорта упрощает генерацию реалистичных сценариев выполнения заданий систем РТР с целью тестирования РЛС и оборудования радиоэлектронного подавления.

Предыскажения в полосе частот модуляции

Генераторы сигналов произвольной формы и генераторы сигналов компании Keysight имеют самый лучший из доступных динамический диапазон (SFDR), который является ключевым критерием выбора для многих приложений. Для расширения областей применения этих приборов компания Keysight предоставляет возможность введения цифровых предыскажений в сигнал в полосе частот модуляции импульса РЛС.

Нелинейные эффекты в ЦАП и появляющиеся в их результате компоненты могут исказить импульс из-за интермодуляции частотных составляющих, образующих импульс. Интермодуляционные составляющие значительно уменьшают динамический диапазон тестового сигнала. Использование цифровых предыскажений сигнала, синтезированных с помощью программы Signal Studio для создания импульсов, позволяет подавить эти интермодуляционные продукты для получения непревзойдённого динамического диапазона или наоборот усилить их для тестирования пределов рабочего режима. С помощью внешнего анализатора сигналов компании Keysight, такого как N9030A, синтезированная структура тестового импульса анализируется, и компоненты предыскажений добавляются к источнику для компенсации нелинейности испытательной системы. Эта сложная испытательная система проста в использовании, автоматически определяет и применяет необходимые коррекции для измерения, что минимизирует продукты интермодуляционных искажений (IMD).

Продолжение следует.

Литература

1. Рекомендации по применению Signal Source Solutions for Coherent and Phase-Stable Multi-Channel Systems (Источники сигналов для когерентных и фазостабильных многоканальных систем). Номер публикации 5990-5442EN / 5990-5442RURU.
2. Описание библиотеки W1905A на сайте www.keysight.com/find/SystemVue.
3. Рекомендации по применению Creating Multi-Emitter Signal Scenarios with COTS Software and Instrumentation (Создание сценариев, включающих сигналы нескольких источников излучения, с помощью имеющихся в продаже программных средств и измерительных приборов). Номер публикации компании Keysight 5991-1288EN.