序言

在雷達(dá)系統(tǒng)測試應(yīng)用中，毫無疑問，矢量信號源起著舉足輕重的作用。不僅可以為雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)提供高質(zhì)量本振信號，更重要的是，還可以按照測試所需生成各式各樣的波形，這就是矢量信號源的優(yōu)勢。

眾所周知，距離分辨率決定了雷達(dá)在距離維度上的分辨能力，是目標(biāo)探測雷達(dá)和成像雷達(dá)非常重要的參數(shù)。對于簡單射頻脈沖而言，脈寬大小決定了距離分辨率，脈寬越窄，則距離分辨率越高，反之，距離分辨率越低。

但是，一味減小脈寬來提高距離分辨率是不現(xiàn)實(shí)的，一方面脈寬減少，則意味著脈沖信號的平均功率降低了，這會縮短雷達(dá)探測距離。另一方面，太窄的脈沖也在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上提出了更高挑戰(zhàn)。

有沒有方法既能使用寬脈寬又可以實(shí)現(xiàn)高分辨率呢？

答案是肯定的，目前高分辨率雷達(dá)通常采用脈沖壓縮技術(shù)，可以在采用寬脈寬的同時，實(shí)現(xiàn)更高的距離分辨率。今天就跟大家聊一聊脈沖壓縮技術(shù)，以及矢量信號源在這種雷達(dá)測試中的應(yīng)用。

脈沖壓縮技術(shù)簡述

所謂脈沖壓縮，可以理解為在接收機(jī)側(cè)通過匹配濾波器或者互相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)對回波信號脈寬的壓縮，從而提高距離分辨率。或者簡單地認(rèn)為，只要脈內(nèi)采用了頻率調(diào)制或者相位調(diào)制，都可以認(rèn)為使用了脈沖壓縮技術(shù)。目前比較常見的兩種調(diào)制方式分別為線性調(diào)頻（Chirp or LFP pulse）和相位編碼（Barker Pulse），如圖1所示。

圖1. 典型Chirp和Barker Pulse

脈沖壓縮技術(shù)并不是通過降低脈寬提高距離分辨率，而可以在脈寬不變的情況下，通過引入脈內(nèi)調(diào)制，同時保證雷達(dá)探測距離和高分辨率。

雷達(dá)接收機(jī)通常采用匹配濾波器，以實(shí)現(xiàn)信噪比SNR的最大化。如果脈內(nèi)采用了頻率或相位調(diào)制，經(jīng)過匹配濾波器后，SNR被改善的同時，脈寬也會被大幅度壓縮。在這個過程中，有兩個非常重要的參數(shù)：脈沖壓縮比和時域邊帶抑制度。前者為原脈沖寬度與壓縮后脈沖寬度的比值，衡量了距離分辨率被改善的程度；后者為回波信號經(jīng)過匹配濾波器后，時域沖激響應(yīng)的最高邊帶與主帶信號幅度的比值，決定了雷達(dá)對低散色截面目標(biāo)的探測能力。下面將從這兩個參數(shù)著手，分別對Chirp Pulse和Barker Pulse進(jìn)行簡要介紹。

(1) Chirp Pulse

線性調(diào)頻脈沖是指脈沖內(nèi)部采用線性頻率調(diào)制，載波頻率可以線性增大（ramp up）、線性減小（ramp down）或者先線性增大再線性減小（ramp up and down or down and up），諸如此類的頻率線性變化，都屬于線性調(diào)頻的范疇。關(guān)于接收機(jī)側(cè)是如何通過匹配濾波器實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮的，可以查閱相關(guān)書籍，此處更多是關(guān)注脈沖壓縮比和時域邊帶抑制。

假設(shè)線性調(diào)頻脈沖的脈寬為τ，帶寬為B，其脈沖壓縮比是多少呢？

接收機(jī)側(cè)會使用一個匹配濾波器處理雷達(dá)回波信號，其輸出的時域波形近似為Sa(x)函數(shù)，有主瓣，亦有豐富的邊帶，如圖2所示。或者可以這里理解，線性調(diào)頻脈沖的頻譜類似于一個帶通濾波器的幅頻響應(yīng)曲線，經(jīng)過匹配濾波器后，其頻譜形狀變化不大，可以將其想象成頻域的“脈沖”，經(jīng)過IFFT后得到的時域波形則類似于Sa(x)函數(shù)曲線，這就是壓縮后的時域波形，壓縮后的脈寬可以近似為1/B (在3dB脈寬和6dB脈寬之間)。

信號原脈寬為τ，壓縮后的脈寬近似為1/B，則脈沖壓縮比近似為：τ?B，這也是通常所講的時寬帶寬乘積，是線性調(diào)頻脈沖的一個非常重要的參數(shù)。

圖2. 線性調(diào)頻脈沖的典型時域沖激響應(yīng)

壓縮后的脈沖近似Sa(x)函數(shù)，所以第一邊帶相對于主瓣的電平理論值為：-13.3dB。此時的時域邊帶抑制還不夠高，較強(qiáng)的時域邊帶可能會造成目標(biāo)誤判，同時也可能將目標(biāo)回波信號淹沒在邊帶中而探測不到目標(biāo)。為了進(jìn)一步降低時域邊帶，在數(shù)據(jù)處理過程中可以考慮引入時間窗，但時間窗的引入會導(dǎo)致主瓣寬度的增大，需要折中考慮。

(1) Barker Pulse

Barker pulse實(shí)際上是在脈內(nèi)采用了BPSK調(diào)制，只是調(diào)制源為Barker碼。Barker碼序列是一組特殊的二進(jìn)制比特，目前發(fā)現(xiàn)的Barker長度包括2、3、4、5、7、11和13位。當(dāng)二進(jìn)制比特由0變?yōu)?，或者由1變?yōu)?，載波相位將發(fā)生180°變化，如圖1右所示，給出的就是Barker5 (11101)對應(yīng)的波形示意圖。

圖3. Barker 13脈沖壓縮后的時域波形

Barker pulse經(jīng)過匹配濾波器壓縮后的時域波形如圖3所示，時域邊帶幅度相同，為主瓣脈沖幅度的1/N，N為Barker碼的長度。比如Barker 13，時域邊帶抑制為：20lg(1/13)≈-22dB。

壓縮后的脈寬為τ/N，相當(dāng)于將原脈寬平均分成了N個子脈沖，因此對應(yīng)的脈沖壓縮比為N。而且，由圖3可以觀測到，脈沖壓縮后，不僅脈寬變小了，SNR也改善了，改善了雷達(dá)對微弱回波信號的處理能力。

為什么需要矢量信號源？

脈沖壓縮比和時域邊帶抑制不僅與所使用的脈內(nèi)調(diào)制方式、參數(shù)和接收機(jī)側(cè)匹配濾波器性能、數(shù)據(jù)處理方法有關(guān)，還會受到發(fā)射機(jī)鏈路諸如功率放大器等部件以及級間阻抗匹配的影響。在發(fā)射機(jī)開發(fā)階段，通常會使用矢量源信號源產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號，脈內(nèi)采用線性調(diào)頻或者Barker碼調(diào)相，以驗(yàn)證射頻前端部件對脈沖參數(shù)造成的影響。

類似地，對于雷達(dá)接收機(jī)鏈路的驗(yàn)證以及信號處理算法的驗(yàn)證，也需要矢量信號源提供標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號。

由此可見，在雷達(dá)收發(fā)機(jī)開發(fā)過程中是需要信號源提供標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號的，而像脈內(nèi)調(diào)頻或調(diào)相的脈沖，采用模擬信號源是很難實(shí)現(xiàn)的，矢量信號源才是最佳選擇，尤其是高帶寬脈沖的產(chǎn)生。這就是為什么在雷達(dá)測試中需要使用矢量信號源的原因。

圖4. 矢量信號源用于雷達(dá)收發(fā)機(jī)測試

如何使用KSW VSG02矢量信號源產(chǎn)生射頻脈沖信號？

圖5. KSW-VSG02矢量信號源

KSW-VSG02具有多個頻率型號，頻率最高可達(dá)44GHz，可配置單個或兩個射頻通道，最高功率高達(dá)+21dBm，2GHz調(diào)制帶寬，優(yōu)異的相噪指標(biāo)（< -146dBc@F = 1GHz，20KHz SSB；（低相噪選件）），助力產(chǎn)生理想的寬帶脈沖信號。

在雷達(dá)信號產(chǎn)生方面，提供了信號波形產(chǎn)生軟件，支持脈沖輪廓編輯、脈內(nèi)調(diào)制、脈沖參數(shù)捷變以及天線模擬等功能，以便更好地滿足用戶豐富多樣的測試需求。

(1)脈沖輪廓：支持矩形、梯形、升余弦、鋸齒等脈沖輪廓，用戶還可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行自定義。

(2)脈內(nèi)調(diào)制：支持線性調(diào)頻、步進(jìn)頻、Barker碼、Frank碼、PSK、QAM等一系列常用的調(diào)制方式，并且支持自定義調(diào)制方式。

(3)參數(shù)捷變：支持脈沖之間幅度、頻率、相位、脈寬、脈重頻等多種參數(shù)的捷變，其中載波頻率和脈重頻還支持隨機(jī)跳變。

(4)天線模擬：在評估天線帶來的影響時，可以使用雷達(dá)信號生成軟件直接生成各式各樣天線偶極子、平面陣及拋物面天線等）及天線不同掃描方式（圓周掃描、扇形掃描、光柵掃描等）對應(yīng)的波形，即使沒有天線實(shí)物，依然可以模擬天線存在時給系統(tǒng)帶來的影響。

(5)支持脈沖描述字（PDW）以及脈沖描述字的實(shí)時傳輸，并與其它主流信號源的PDW兼容。

圖6.雷達(dá)信號產(chǎn)生軟件

總結(jié)

矢量信號源已然成為雷達(dá)系統(tǒng)測試中不可或缺的標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備，頻率高、帶寬大、相噪低，逐漸成為現(xiàn)代雷達(dá)測試對矢量信號源提出的最新要求。本文以高分辨率雷達(dá)常用的脈沖壓縮技術(shù)為切入點(diǎn)，對其作了簡要介紹，并解釋了雷達(dá)系統(tǒng)測試中使用矢量信號源的必要性。最后介紹了雷達(dá)波形生成軟件，能夠方便地生成豐富的脈沖波形，滿足多樣的測試需求。