使用实时频谱分析仪理解雷达信号

测量方法

雷达脉冲的瞬态特性与现代脉冲压缩方案常常要求仔细设计的实验装置。最基本的脉冲测量是与时间有关的。脉冲宽度和周期是两个基本参数，分别对应于重复频率和占空比。为了限制发射机的频谱，常常对脉冲进行整形，这就需要另外一些测量来表征。整形后的脉冲形状包括信号的上升时间、下降时间和其它一些非预期的畸变。这些畸变包括超调、欠调、振铃和下垂。一个重要的测量难题是当脉冲整形不是预期的那样时，测量瞬态辐射和频谱再生长。

从一个脉冲到下一个脉冲的时间变化是另一个重要的时间测量。可能有意或无意地引起性能下降的变化，重要的是能够测量这些变化。

雷达信号的每个脉冲中可能还携带调制信息。脉冲调制可以很简单（如BPSK或QPSK），也可能很复杂（如M进制QAM或跳频）。有几种常用的方法来测量脉冲内的调制。

幅度、相位和频率都是一维参数，它们是逐样点进行运算的。 幅度测量是通过对每一个样点的 In-phase (I) 和 Quadrature (Q) 值进行平方、求和、开方运算得到幅度包络检测结果。

图1右下角是脉冲经过七步随机频率跳变后的频率-时间图，图1右上角是对应脉冲的幅度-时间图。观察到高频脉冲幅度较大，而低频脉冲幅度较小。这是由于该雷达发射机具有幅度滚降特性，即输出功率随着频率的增加而减小。

因为脉冲是随机地在发射机斜率上移动，所以幅度变化比如果是线性调频时更加明显。在这个例子中，发射机频率响应误差有可能导致接收机错误地确定目标属性。

相位-时间

数字基带数据通常包含同相（In-phase，I）分量和正交（Quadrature，Q）分量，每个样本的相位可以计算出来。对于简单的相位随时间变化的图表，相位是Q/I的反正切。相位参考通常是最开始的采集记录。使用这个参考，相位被绘制在样本编号（以时间为单位表示）上。

图2中，显示装置的右侧为频率-时间图，左侧为相位-时间图，它们都是同一数据采集的结果。这个信号是一个经过巴克（Barker）编码的相位调制单脉冲。相位图显示脉冲中有13个相位段。对于这种特定的编码，前5个相位段、第6和第7个相位段、以及第8和第9个相位段中的相位值都相同，因此看起来这些段比最后4个段更宽。

频率图显示很大的频率跳变，因为相位调制有两个问题。首先，各个段自身并不具备相位连续性。这并不会影响相位图，但是会在相位改变的瞬间造成很大的瞬时频率调制。不连续性会形成很短的包含很宽频谱的“频谱飞溅”（spectrum splatter），它可能在很短时间内超过允许的频谱掩模，可能对附近频率上运行的设备造成干扰，也可能形成一个可识别的“特征”（signature），用于特定雷达的识别。

第二，发射机显然没有带宽限制滤波器，这加剧了相位突变。如果对带宽进行滤波和限制，频率图会更接近平坦。

对于幅相图来说，很重要的一点是要认识到，因为相位参考是获取记录的开始，如果记录的开始位于一个脉冲内（被触发），那么相位在一次获取和下一次获取之间可能会很相似。但是如果记录的开始是随机的（未被触发），那么相位参考点可能会位于脉冲间隔的噪声中。这就会导致相位参考在一次获取和下一次获取之间出现大的随机变化。

频率-时间

频率-时间测量显示感兴趣时间内信号的瞬时频率。和调频检测一样，它将测量检测带宽内的所有信号，因此必须设置仪器的捕获带宽，或者采用其他方法排除不需要的频率(这也适用于相位-时间测量)。

频率就是相位随时间的变化。在一秒钟内完成一次循环，相位旋转360度。任两个采样点的频率通过下述方法测量：先分别测出每个采样点的相位，然后用两个采样点的相位差除以采样间隔时间（正如“f = ∆ Ø / ∆t”一样）得出。

对数字调制信号的分析更加复杂。理想情况下，调制测量将显示振幅、相位或两者随传输“符号”的变化（传输的数据字）。这需要匹配调制类型、符号率和测量/参考滤波器参数。其他调制测量包括 constellation 图、错误图、信号质量和解调符号表。

脉冲可以具有更高的调制阶数，如QAM、OFDM，甚至直接序列扩频（见图3）。这些可以拉伸脉冲频谱，从而降低被发现的机会，并允许在接收机中对脉冲进行压缩。它们甚至可以允许在雷达脉冲中传输数据。

短帧（单脉冲）

对单个脉冲（有时称为短帧测量）所进行的测量取决于对脉冲的预期用途。所施加的调制将决定所需的测量。对于简单的单频（连续波，CW）脉冲，测量可能包括功率（或电压）、时间、形状、射频载波频率和射频频谱占用情况。

长框架（多脉冲）

单个脉冲的测量通常不能保证发射机的性能。可以测量很多脉冲，并且任何差异都可以用来诊断其它方法难以发现的问题。测量结果表格有助于人工观察某个测量结果是否有差异。通常，对结果进行FFT分析有助于确定任何变化的原因（见图4）。

中心频率偏移

测量跳频雷达信号、空中测量信号以及在邻道干扰下测量信号，通常会对测量系统形成挑战。传统上，要么需要关闭调制跳频，要么需要捕获中心频率处的脉冲序列，然后才能对雷达信号进行分析。

在对雷达真正的跳频行为进行分析时，能够测量那些不在分析带宽中心的信号是非常重要的。图5显示了一个频率跳变的脉冲信号。通过取消测量频率对中心频率的锁定，会出现一个滑动的测量窗口，这样用户就可以很容易地在获取的频谱中选择感兴趣的频率。

能够选择不在中心频率处的测量窗口，这是进行空中测量以及测试跳频雷达在跳频条件下出现的问题（如频率稳定性和时间问题）的一种宝贵方法。

选择测量参数

在开始测量之前，用户必须正确地设置几个参数，这些参数影响脉冲信号的处理，它取决于信号的性质以及希望仪器与入射脉冲的相互作用方式。

测量过滤器类型

在测量脉冲信号时，一个很重要的参数就是测量滤波器的类型和带宽。所有的测量设备都自身具有带宽限制。一旦信号被数字化（使用频谱分析仪或者示波器），进一步的数字处理就可以减小并修饰测量带宽。使用带宽更窄的滤波器可以减小测量带宽内的噪声，因此也就减小了某些测量参数的不确定度。这只有在待测脉冲信号不含比所用滤波器更宽的频谱成分（如快升/降沿，或宽频/相位调制）时才有用。使用带宽更窄的滤波器会增加上升时间测量的不确定度。

如果脉冲信号通过一个带限滤波器，将会有一些信号失真。一个滤波器将对脉冲上升时间产生它自己的贡献。任何具有陡峭上升或下降时间的脉冲都将在载波频率之外具有广泛的频谱成分。滤波器去除的这些频率越多，对脉冲信号就越可能产生失真（超调和振铃）。而且，即使滤波器足够宽以通过脉冲而不产生问题，它 also 也会有相位和振幅变化，从而引入失真。