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,，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,。可以通過對信號進(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PCIex8Gen2接口增強了在數(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上實現(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),，因為它可以將數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)街鳈C,。

對于那些中級編程技能的人來說，并行處理的SpectrumCUDA訪問選項（SCAPP）提供了更大的處理能力,，該選項允許數(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算時間,。

圖4：使用在主機上運行的專有程序進(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),。

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