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高速數據采集卡在雷達信號的采集與分析中的應用筆記

文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2019-10-12 10:24:00

使用短占空比,多種調制類型和關鍵定時的脈沖波形的雷達信號需要提供高帶寬,成比例的采樣率,長內存和快速數據傳輸的測量系統。高速模塊化數字化儀是采集和處理雷達信號的理想選擇,并為這些測量提供了多項優勢。它們提供了高帶寬,長采集內存以及特殊的采集模式以最大程度地利用內存,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字化儀進行雷達系統測量的一些優勢。

雷達系統依賴于脈沖調制射頻(RF)載波,通常包括頻率,相位和復數調制。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鍵參數。如圖1中的雷達信號,這是一個基本脈沖調制的1GHzRF載波。

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圖1:采集基本的脈沖RF雷達信號,及執行簡單的RMS波形檢測以測量信號包絡上的關鍵定時參數的步驟

圖1頂部軌跡中的信號是用M4i.2234-x8數字化儀獲取。這是一個基于PCIExpress總線的4通道8位數字轉換器,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雷達以及許多較高頻率雷達的中頻兼容。該數字化儀包括4GB采集內存。一個4GB的內存可以以5GS/s的最大采樣率獲取800ms的數據。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制信號。在此示例中,數字化儀用2.5MS以5GS/s的最大采樣速率獲取了500μs數據。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是用于查看數字化儀數據的軟件。它是標配的,是控制和查看數字化儀數據的一種方式,它還包括用于測量和分析所采集波形的內置工具。例如,用頻率測量來測量信號的載波頻率,結果在圖左側的信息窗格中顯示為1.000GHz。SBench6還有許多數值分析工具,包括快速傅立葉變換(FFT)和有限脈沖響應(FIR)濾波。

脈沖重復頻率(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確的值。準確地測量PRF、脈寬和占空比的最佳方法是提取脈沖調制波形的包絡線。可以通過對信號進行平方(中間跡線),然后對其進行低通濾波(底部跡線)來實現。此操作執行均方根(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?輸入阻抗重新校準數據,并將單位改為瓦特完成轉換。

濾波操作后,脈沖序列的包絡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%。

調制脈沖

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

在脈沖持續時間內掃描或改變載波頻率是一種常見的技術,由此產生的調頻脈沖稱為“線性調頻脈沖”。圖2是線性掃描雷達線性調頻脈沖的示例。

調制后的脈沖顯示在左側網格中。在脈沖期間,載波頻率從標稱998MHz線性變化到1002MHz。這在右側網格中的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。頻譜上的游標讀取3.62MHz載波的頻率變化范圍。

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

相位調制也可以實現脈沖壓縮。相位調制技術將脈沖分成多個段,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。通用代碼是二進制的,其中代碼值根據代碼序列在+1和-1之間切換,對應于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性較低,并且產生的旁瓣較低。

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圖3:使用長度為13的巴克碼的調相脈沖,作為波形中的陷波,相位反轉很明顯

圖3是使用長度為13的巴克碼的調相脈沖的示例,最好在主機中對調相脈沖進行解調,這樣可以進行更復雜的數據分析,可以使用第三方軟件,如MATLAB或LabVIEW,甚至可以用C,C++或Python進行自定義編程。這些第三方程序提供了快速解調這些信號的功能。可以根據應用程序進行定制,它們提供了極大的靈活性,支持進行更復雜的分析。  

M4i.2234-x8數字化儀的PCIex8 Gen2接口增強了在數字化儀外部進行處理的能力。使用Spectrum的驅動程序,該接口可以在合適的主機上實現大于3.4GB/s的數據傳輸速率。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4GB的數據,因為它可以將數據快速傳輸到主機。

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存可用于高級高速信號處理。在此應用程序中,它可以提供更快的計算時間。

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圖4:使用在主機上運行的專有程序進行相位解調,解調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程序獲取調相脈沖的結果。解調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提供了專門為雷達分析設計的應用程序包。MathWorks在MATLAB相控陣系統工具箱中包含RadarWaveformAnalyzer應用程序就是一個很好的例子。Spectrum提供驅動程序和示例程序,以將這些程序與其數字化儀連接起來。

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

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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)記錄多個觸發事件。采集存儲器被分成若干大小相等的段。每個觸發事件填充一個段。在段觸發事件之間停止采集,以節省可用內存。用戶可以在段內對觸發前和觸發后的時間間隔進行編程。所獲取的段數僅受所使用內存的限制,在使用先進先出(FIFO)獲取模式時不受限制。與多個觸發器關聯的重要數據存儲在連續段的采集內存中。不記錄與事件之間的死區時間相關的數據。每個觸發器事件都有時間戳,因此可以知道每個觸發器的精確位置。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內存中。如果需要,可將其讀出。

多重采集模式通過不記錄死區時間來節省存儲空間。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字化儀,優化數據采集過程。

雷達信號很難測量,但是模塊化數字化儀非常適合這些信號的采集和分析。數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。快速將數據傳輸到主機的能力使更廣泛的分析工具可用,從而產生了非常靈活的雷達測量系統。


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