使用短占空比，多種調(diào)制類(lèi)型和關(guān)鍵定時(shí)的脈沖波形的雷達(dá)信號(hào)需要提供高帶寬，成比例的采樣率,，長(zhǎng)內(nèi)存和快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y(cè)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(hào)的理想選擇，并為這些測(cè)量提供了多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。它們提供了高帶寬，長(zhǎng)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(cè)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(cè)量的一些優(yōu)勢(shì)。

雷達(dá)系統(tǒng)依賴(lài)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(cè)量?jī)x器的作用是以最大可能的保真度獲取這些脈沖波形并測(cè)量關(guān)鍵參數(shù),。如圖1中的雷達(dá)信號(hào),，這是一個(gè)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(hào)，及執(zhí)行簡(jiǎn)單的RMS波形檢測(cè)以測(cè)量信號(hào)包絡(luò)上的關(guān)鍵定時(shí)參數(shù)的步驟

圖1頂部軌跡中的信號(hào)是用M4i.2234-x8數(shù)字化儀獲取,。這是一個(gè)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(gè)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(zhǎng)時(shí)間的采集提供了良好的時(shí)間分辨率,，有助于分析相位或頻率調(diào)制信號(hào)。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(chǔ)器獲取了五個(gè)脈沖，但可以獲取8000多個(gè)類(lèi)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(cè)量和分析所采集波形的內(nèi)置工具,。例如，用頻率測(cè)量來(lái)測(cè)量信號(hào)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(cè)量工具可以得到更準(zhǔn)確的值。準(zhǔn)確地測(cè)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,。可以通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行平方（中間跡線）,，然后對(duì)其進(jìn)行低通濾波（底部跡線）來(lái)實(shí)現(xiàn),。此操作執(zhí)行均方根(rms)檢測(cè)，中心軌跡的平方波形與信號(hào)的瞬時(shí)功率成正比,。如果需要功率測(cè)量,，可通過(guò)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(cè)量工具來(lái)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(gè)瞬間彼此不同,。通常使用頻率或相位調(diào)制來(lái)完成,。雷達(dá)接收器提供必要的數(shù)字信號(hào)處理以影響脈沖壓縮。

在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)掃描或改變載波頻率是一種常見(jiàn)的技術(shù),，由此產(chǎn)生的調(diào)頻脈沖稱(chēng)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(chēng)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(gè)段,，每個(gè)段都以特定的相移傳輸,。這些段的長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)度為13的巴克碼的調(diào)相脈沖的示例,，最好在主機(jī)中對(duì)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(hào)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(dòng)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(hào)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(duì)于那些中級(jí)編程技能的人來(lái)說(shuō)，并行處理的SpectrumCUDA訪問(wèn)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(jí)高速信號(hào)處理。在此應(yīng)用程序中,，它可以提供更快的計(jì)算時(shí)間,。

圖4：使用在主機(jī)上運(yùn)行的專(zhuān)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(zhuān)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(hào)載波存在時(shí)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(zhǎng)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(zhuān)門(mén)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(gè)很好的例子,。Spectrum提供驅(qū)動(dòng)程序和示例程序，以將這些程序與其數(shù)字化儀連接起來(lái),。

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(shí)間,，尤其是對(duì)于信號(hào)（如雷達(dá)應(yīng)用中的信號(hào)）而言,，它們的占空比很低。

圖5：通過(guò)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(gè)波形，每個(gè)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(shí)間,，時(shí)間戳記記錄每次觸發(fā)的時(shí)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(shí)間(在5GS/s采樣率下約6.5ns)記錄多個(gè)觸發(fā)事件,。采集存儲(chǔ)器被分成若干大小相等的段。每個(gè)觸發(fā)事件填充一個(gè)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(duì)觸發(fā)前和觸發(fā)后的時(shí)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(shí)不受限制。與多個(gè)觸發(fā)器關(guān)聯(lián)的重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù),。每個(gè)觸發(fā)器事件都有時(shí)間戳，因此可以知道每個(gè)觸發(fā)器的精確位置,。圖5b顯示了“多重記錄”模式的時(shí)間戳操作的圖形視圖,。時(shí)間戳存儲(chǔ)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(guò)不記錄死區(qū)時(shí)間來(lái)節(jié)省存儲(chǔ)空間。這在可用的采集存儲(chǔ)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(shí)間為90μs，因此在多重采集模式下,，將不會(huì)記錄90μs,，并且可以采集并存儲(chǔ)另外9個(gè)脈沖。這種模式在研究雷達(dá)操作中脈沖之間的變化時(shí)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(guò)程,。

雷達(dá)信號(hào)很難測(cè)量,，但是模塊化數(shù)字化儀非常適合這些信號(hào)的采集和分析。數(shù)字化儀提供了出色的信號(hào)完整性,，并提供了多種工具來(lái)分析采集的波形,。快速將數(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(cè)量系統(tǒng),。