使用短占空比,，多種調(diào)制類型和關(guān)鍵定時的脈沖波形的雷達(dá)信號需要提供高帶寬,，成比例的采樣率,，長內(nèi)存和快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y量系統(tǒng),。高速模塊化數(shù)字化儀是采集和處理雷達(dá)信號的理想選擇,，并為這些測量提供了多項(xiàng)優(yōu)勢,。它們提供了高帶寬,，長采集內(nèi)存以及特殊的采集模式以最大程度地利用內(nèi)存,，這些緊湊型儀器提供了高速測量和高精度分析。本文將重點(diǎn)介紹使用高速模塊化數(shù)字化儀進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)測量的一些優(yōu)勢,。

雷達(dá)系統(tǒng)依賴于脈沖調(diào)制射頻（RF）載波,，通常包括頻率，相位和復(fù)數(shù)調(diào)制,。測量儀器的作用是以最大可能的保真度獲取這些脈沖波形并測量關(guān)鍵參數(shù),。如圖1中的雷達(dá)信號，這是一個基本脈沖調(diào)制的1GHzRF載波,。

圖1：采集基本的脈沖RF雷達(dá)信號,，及執(zhí)行簡單的RMS波形檢測以測量信號包絡(luò)上的關(guān)鍵定時參數(shù)的步驟

圖1頂部軌跡中的信號是用M4i.2234-x8數(shù)字化儀獲取。這是一個基于PCIExpress總線的4通道8位數(shù)字轉(zhuǎn)換器,，1.5GHz帶寬,，最大采樣率5GS/s。此帶寬和采樣率與直接采集VHF和較低UHF雷達(dá)以及許多較高頻率雷達(dá)的中頻兼容,。該數(shù)字化儀包括4GB采集內(nèi)存,。一個4GB的內(nèi)存可以以5GS/s的最大采樣率獲取800ms的數(shù)據(jù)。這為長時間的采集提供了良好的時間分辨率,，有助于分析相位或頻率調(diào)制信號,。在此示例中，數(shù)字化儀用2.5MS以5GS/s的最大采樣速率獲取了500μs數(shù)據(jù),。盡管此示例僅使用完整的存儲器獲取了五個脈沖,，但可以獲取8000多個類似的脈沖。

SBench6是用于查看數(shù)字化儀數(shù)據(jù)的軟件,。它是標(biāo)配的,，是控制和查看數(shù)字化儀數(shù)據(jù)的一種方式，它還包括用于測量和分析所采集波形的內(nèi)置工具,。例如,，用頻率測量來測量信號的載波頻率，結(jié)果在圖左側(cè)的信息窗格中顯示為1.000GHz,。SBench6還有許多數(shù)值分析工具,，包括快速傅立葉變換（FFT）和有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波。

脈沖重復(fù)頻率(PRF)可以從屏幕上估計(jì)，但使用該軟件的測量工具可以得到更準(zhǔn)確的值,。準(zhǔn)確地測量PRF,、脈寬和占空比的最佳方法是提取脈沖調(diào)制波形的包絡(luò)線?？梢酝ㄟ^對信號進(jìn)行平方（中間跡線）,，然后對其進(jìn)行低通濾波（底部跡線）來實(shí)現(xiàn)。此操作執(zhí)行均方根(rms)檢測,，中心軌跡的平方波形與信號的瞬時功率成正比,。如果需要功率測量，可通過除以50?輸入阻抗重新校準(zhǔn)數(shù)據(jù),，并將單位改為瓦特完成轉(zhuǎn)換,。

濾波操作后，脈沖序列的包絡(luò)線顯示在底部軌跡中,。再次使用該軟件的測量工具來讀取脈沖的PRF,，即10kHz，寬度為9.955μs,，占空比為9.955％,。

調(diào)制脈沖

脈沖壓縮通常用于提高雷達(dá)的距離分辨率。壓縮包括調(diào)制脈沖載波,，使脈沖中的每個瞬間彼此不同,。通常使用頻率或相位調(diào)制來完成。雷達(dá)接收器提供必要的數(shù)字信號處理以影響脈沖壓縮,。

在脈沖持續(xù)時間內(nèi)掃描或改變載波頻率是一種常見的技術(shù),，由此產(chǎn)生的調(diào)頻脈沖稱為“線性調(diào)頻脈沖”。圖2是線性掃描雷達(dá)線性調(diào)頻脈沖的示例,。

調(diào)制后的脈沖顯示在左側(cè)網(wǎng)格中。在脈沖期間,，載波頻率從標(biāo)稱998MHz線性變化到1002MHz,。這在右側(cè)網(wǎng)格中的FFT提供的頻域視圖中很明顯。平坦的頂部頻譜顯示了掃描期間的頻率變化,。平頂頻譜顯示了掃描期間的頻率變化,。頻譜上的游標(biāo)讀取3.62MHz載波的頻率變化范圍。

圖2:線性掃描雷達(dá)線性調(diào)頻脈沖的示例,，脈沖的頻譜顯示了應(yīng)用于載波頻率的近4MHz線性掃描范圍

相位調(diào)制也可以實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮,。相位調(diào)制技術(shù)將脈沖分成多個段，每個段都以特定的相移傳輸,。這些段的長度相等,，相移的選擇由代碼確定。通用代碼是二進(jìn)制的，其中代碼值根據(jù)代碼序列在+1和-1之間切換,，對應(yīng)于0°和180°的相移,。最常用的代碼序列是巴克碼，它與其他序列的自相關(guān)性較低,，并且產(chǎn)生的旁瓣較低,。

圖3：使用長度為13的巴克碼的調(diào)相脈沖，作為波形中的陷波,，相位反轉(zhuǎn)很明顯

圖3是使用長度為13的巴克碼的調(diào)相脈沖的示例,，最好在主機(jī)中對調(diào)相脈沖進(jìn)行解調(diào)，這樣可以進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析,，可以使用第三方軟件,，如MATLAB或LabVIEW，甚至可以用C,，C++或Python進(jìn)行自定義編程,。這些第三方程序提供了快速解調(diào)這些信號的功能?？梢愿鶕?jù)應(yīng)用程序進(jìn)行定制,，它們提供了極大的靈活性，支持進(jìn)行更復(fù)雜的分析,。  

M4i.2234-x8數(shù)字化儀的PCIex8 Gen2接口增強(qiáng)了在數(shù)字化儀外部進(jìn)行處理的能力,。使用Spectrum的驅(qū)動程序，該接口可以在合適的主機(jī)上實(shí)現(xiàn)大于3.4GB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率,。這種傳輸速率在處理高速信號采集是非常重要的,，它可以采集多達(dá)4GB的數(shù)據(jù)，因?yàn)樗梢詫?shù)據(jù)快速傳輸?shù)街鳈C(jī),。

對于那些中級編程技能的人來說,，并行處理的SpectrumCUDA訪問選項(xiàng)（SCAPP）提供了更大的處理能力，該選項(xiàng)允許數(shù)字化儀與基于CUDA的圖形處理單元(GPU)直接連接,，這使GPU的多處理核心和超大內(nèi)存可用于高級高速信號處理,。在此應(yīng)用程序中，它可以提供更快的計(jì)算時間,。

圖4：使用在主機(jī)上運(yùn)行的專有程序進(jìn)行相位解調(diào),，解調(diào)后的波形僅在存在載波的情況下才有效。

圖4顯示了使用專有解調(diào)程序獲取調(diào)相脈沖的結(jié)果,。解調(diào)波形僅在信號載波存在時有效,，它顯示了巴克碼序列值，可以看到13位的巴克碼（+1+1+1+1+1-1-1+1+1-1+1+1-1+1）,，+1代表0°,，-1代表180°,。這是最長的巴克碼序列。該代碼的頻譜旁瓣電平為-22.3db,。

第三方軟件包如LabVIEW和MATLAB提供了專門為雷達(dá)分析設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序包,。MathWorks在MATLAB相控陣系統(tǒng)工具箱中包含RadarWaveformAnalyzer應(yīng)用程序就是一個很好的例子。Spectrum提供驅(qū)動程序和示例程序,，以將這些程序與其數(shù)字化儀連接起來,。

該模塊數(shù)字化儀還提供多種采集模式，旨在有效地使用采集內(nèi)存,，減少采集之間的死區(qū)時間,，尤其是對于信號（如雷達(dá)應(yīng)用中的信號）而言，它們的占空比很低,。

圖5：通過在多路采集模式下采集波形,，可以更有效地使用采集內(nèi)存，此模式可獲取多個波形,，每個波形均位于其自己的段中,，這消除了重大事件之間的停滯時間，時間戳記記錄每次觸發(fā)的時間,。

如圖5a所示,，多重記錄或分段模式允許以極短的重新布防時間(在5GS/s采樣率下約6.5ns)記錄多個觸發(fā)事件。采集存儲器被分成若干大小相等的段,。每個觸發(fā)事件填充一個段,。在段觸發(fā)事件之間停止采集，以節(jié)省可用內(nèi)存,。用戶可以在段內(nèi)對觸發(fā)前和觸發(fā)后的時間間隔進(jìn)行編程,。所獲取的段數(shù)僅受所使用內(nèi)存的限制，在使用先進(jìn)先出(FIFO)獲取模式時不受限制,。與多個觸發(fā)器關(guān)聯(lián)的重要數(shù)據(jù)存儲在連續(xù)段的采集內(nèi)存中,。不記錄與事件之間的死區(qū)時間相關(guān)的數(shù)據(jù)。每個觸發(fā)器事件都有時間戳,，因此可以知道每個觸發(fā)器的精確位置,。圖5b顯示了“多重記錄”模式的時間戳操作的圖形視圖。時間戳存儲在卡上硬件的額外FIFO內(nèi)存中,。如果需要，可將其讀出,。

多重采集模式通過不記錄死區(qū)時間來節(jié)省存儲空間,。這在可用的采集存儲器中提供了更多重要事件。圖1中的脈沖寬度約為10μs,，死區(qū)時間為90μs,，因此在多重采集模式下，將不會記錄90μs，并且可以采集并存儲另外9個脈沖,。這種模式在研究雷達(dá)操作中脈沖之間的變化時非常有用,。還有其他幾種采集模式，可以更有效地控制數(shù)字化儀,，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集過程,。

雷達(dá)信號很難測量，但是模塊化數(shù)字化儀非常適合這些信號的采集和分析,。數(shù)字化儀提供了出色的信號完整性,，并提供了多種工具來分析采集的波形?？焖賹?shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)的能力使更廣泛的分析工具可用,，從而產(chǎn)生了非常靈活的雷達(dá)測量系統(tǒng)。