Импульсные измерения в ВЧ-, СВЧ- и КВЧ-диапазонах сопряжены с определёнными трудностями, связанными с необходимостью широкой полосы анализа, а также из-за стремления оценить значительный период активности системы. В данной статье представлено применение с этой целью сегментированной памяти осциллографа и программного обеспечения анализа импульсов – подробно описывается методика для измерения таких параметров РЛС и систем РЭБ, как амплитуда, частота и фаза импульсов, приводятся способы оптимизации точности.
Если для достижения равномерной амплитудной и фазовой характеристик используются методы прямой оцифровки, что справедливо для некоторых высокочастотных осциллографов, то связанная с этими методами высокоскоростная дискретизация приводит к очень быстрому расходу памяти захвата. В связи с этим возникает потребность в сегментированной памяти, когда полезные сигналы размещаются в сегментах памяти, и приёмник игнорирует интервалы времени, где полезные сигналы отсутствуют, как показано на рисунке 1.
Роль сегментированной памяти осциллографа в достижении больших интервалов захвата импульсных ВЧ-сигналов
Рассмотрим импульсный ВЧ-сигнал с несущей частотой 15 ГГц и полосой модуляции 2 ГГц.
Для захвата модулированного импульсного сигнала частотой 15 ГГц осциллограф должен использовать достаточно высокую частоту дискретизации, в данном случае не менее ~2,5 × 16 ГГц или 40 Гвыб/с. Чтобы иметь некоторый запас за пределами полосы модуляции 2 ГГц и избежать наложения спектров, следующей более высокой частотой дискретизации будет полная частота дискретизации осциллографа 80 Гвыб/с, обеспечивающая захват полосы 33 ГГц.
Если использовать стандартный метод захвата, когда в память заносятся все выборки, независимо от характера сигнала, то при полной частоте дискретизации 80 Гвыб/с, соответствующей полосе осциллографа 33 ГГц, и при использовании всей имеющейся памяти 2 Гвыб, получится максимальный интервал захвата 25 мс:
(2 Гвыб) / (80 Гвыб/с) = 25 мс.
Теперь рассмотрим последовательность импульсов длительностью 1 мкс с периодом следования 100 мкс (частота повторения импульсов 10 кГц). Если захватить такую последовательность с помощью описанного выше осциллографа, то получится примерно 250 импульсов, что вытекает из следующего уравнения:
(25 мс) / (100 мкс / импульс) = = 250 импульсов.
Однако, используя сегментированную память осциллографа, можно значительно увеличить число захваченных импульсов. В режиме сегментированной памяти можно создать сегменты чуть большие по размеру, чем самый длинный захваченный импульс. Например, для захвата импульсов длительностью 1 мкс можно использовать сегменты размером 1,2 мкс.
Сегментированную память можно настроить так, чтобы получить сегменты длительностью 1,2 мкс, объём памяти 96 тыс. выборок на сегмент и число сегментов 32 768 (см. рис. 2).
Расчёт необходимого объёма сегментированной памяти очень прост, если знать, что частота дискретизации равна 80 Гвыб/с, а длина сегмента – 1,2 мкс:
(80 Гвыб/с) × (1,2 мкс) = 96 000 выборок.
Теперь, нажав на кнопку захвата «Single» (однократно), можно захватить 32 000 импульсов в 32 000 сегментах, что будет соответствовать 3,3 с активности сигнала.
На рисунке 3 показан сегментированный захват импульсного ВЧ-сигнала с несущей частотой 15 ГГц и шириной линейной частотной модуляции (ЛЧМ) 2 ГГц. Обратите внимание, что здесь имеется копка «Play» (воспроизведение), которая позволяет воспроизвести 32 000 сегментов. Причём для 32 000 захваченных импульсов рассчитаны статистические показатели.
Сегментированная память осциллографа в сочетании с ПО анализа импульсов оптимизирует измерения импульсов РЛС
Сегментированная память может работать под управлением программного обеспечения векторного анализа сигналов, в результате чего статистический анализ импульсов выполняется по большому числу ВЧ-импульсов, захваченных в сегментированную память. Такой анализ можно выполнить на полученных в результате цифрового понижающего преобразования частоты выборках осциллографа, где формат преобразуется в модулирующий I/Q-сигнал. Измерения настраиваются на центральную частоту и выбирается полоса анализа чуть шире спектра сигнала. Это обеспечивает выигрыш за счёт обработки и позволяет снизить шум измерения.
После подавления шума над данными I/Q можно выполнить множество измерений, включая изменение амплитуды, частоты и фазы вдоль ВЧ-импульса. Пример таких измерений показан на рисунке 4, где анализируются импульсы, содержащиеся в сегментах памяти 3, 4 и 5.
В этом примере измеряется линейный сдвиг частоты ЛЧМ вдоль ВЧ-импульса, а затем сравнивается с идеальным линейным нарастанием частоты (центральная правая панель). После этого рассчитывается и отображается разность между измеренным импульсом и идеальным линейным нарастанием (горизонтальная линия с шумом). Видно, что измеренное и идеальное нарастание немного отличаются друг от друга. Кривая ошибки отображается в масштабе 1 МГц/дел с девиацией пика примерно 500 кГц, а среднеквадратичная погрешность по частоте в нижней правой таблице демонстрирует погрешность частоты порядка 300 кГц.
Аналогичным способом сдвиг фазы вдоль импульса сравнивается с идеальным параболическим сдвигом фазы (верхняя правая панель), характеризующим линейную частотную модуляцию импульсов РЛС. Разность между измерением и эталоном можно растянуть, и увидеть, насколько исследуемая система отклоняется от идеала. Из нижней правой таблицы на рисунке 4 видно, что девиация пика составляет примерно от +8 до –5 градусов, а среднеквадратическая погрешность фазы равна 2 градусам.
Спектральный состав ВЧ-импульса показан в левой центральной панели, огибающая ВЧ-импульса – в верхней левой панели, а разность между измеренной амплитудой огибающей и идеальной прямой линией показана в нижней левой панели.
И, наконец, параметры импульсов, захваченных в сегментированную память, можно подвергнуть статистическому анализу. На рисунке 5 показаны результаты статистического анализа, выполненного по 1000 сегментам захваченных данных.
При непосредственном захвате широкополосных импульсных ВЧ-сигналов высокая требуемая частота дискретизации затрудняет захват большого числа импульсов из-за быстрого расхода доступной памяти захвата. Одним из способов решения этой проблемы является режим сегментированной памяти, где импульсы сохраняются в сегментах памяти, а на время промежутков между импульсами захват отключается.
ПО анализа импульсов может управлять сегментированным захватом и в цифровом виде преобразовывать захваченные ВЧ-сигналы в модулирующие I/Q-сигналы. Это позволяет настроить измерение на нужную частоту несущей и выбрать полосу обзора чуть шире полосы исследуемого сигнала, уменьшив тем самым шум и увеличив точность измерения.
Время проверки системы уменьшается за счёт возможности сравнения реальных измеренных характеристик импульсов с идеальными сигналами амплитуды, фазы и частоты, что позволяет выявлять проблемы, связанные с созданием сигналов или с характеристиками системы.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
