השוואת מדידות רדאר

נתחי אותות מחויים (Swept) ומבוססי FFT

מאת: ג’ון ס. האנס, מהנדס יישומים בכיר Agilent Technologies

מערכות רדאר מודרניות מבוססות פולסים משתמשות במאפיינים מתקדמים של צורות גל ומודולציה כדי להשיג רזולוציית טווח גדולה יותר, דיכוי משופר של clutter וזיהוי מטרות מעולה. ספציפית, ניתן להשיג שיפורי ביצועים באמצעות אותות רדאר עם פס רחב, מחזורי פעולה קצרים (low duty-cycle), ליניאריות גבוהה ומודולציה מתוחכמת. טבען של צורות הגל הללו מקשה על המדידה והסינתזה שלהן.

הבנת האופן בו סוגים שונים של מכשירים מגיבים לאותות הרדאר הללו הינה חיונית כאשר מתכננים מערכות רדאר בעלות ביצועים גבוהים ויעילים מבחינת עלויות. מאמר זה יסקור מספר גישות מדידה לאפיון התוכן הספקטראלי של אותות רדאר בעלי מחזורי פעולה קצרים ופס רחב.

הכלי הבסיסי לאפיון אותות רדאר הינו נתח הספקטרום או נתח האותות, המודד את תוכן ההספק של אותות רדאר כפונקציה של תדר. יכולת זו הינה חשובה מכיוון שפרופיל ספקטראלי שגוי מראה מספר בעיות שתוצאתן הספק מבוזבז ופליטה של אותות לא רצויים. נתחי ספקטרום מסורתיים משתמשים בארכיטקטורת swept-tuned כדי להשיג טווח דינמי גדול וטווחי מדידה רחבים [1].

התקדמות בעיבוד אותות דיגיטליים הביאה לשתי התפתחויות טכנולוגיות משמעותיות: 1) ההכללה של IFs דיגיטליים בנתחי ספקטרום מסורתיים מסוג swept-tuned, ו-2) הופעתם של נתחים מבוססי FFT (Fast Fourier Transform) כאלטרנטיבה לארכיטקטורה המסורתית של נתחי אותות. הכללתם של IFs דיגיטליים בנתחי ספקטרום מסורתיים שיפרה בצורה משמעותית את הדיוק, חזרתיות (repeatability) והמהירות של המכשירים הללו. נתחי אותות מבוססי FFT מספקים יכולת חסרת תקדים של ניתוח מודולציה ויכולה להוביל למדידות מהירות הרבה יותר במקרים מסוימים, אך מדידות הרבה יותר איטיות כאשר תופרים יחד סגמנטים רבים של FFT כדי ליצור הצגה של נתונים.

בחירת הגישה האופטימאלית למדידה דורשת ידע מסוים ביכולות המכשיר והאות הנבדק. כדי להבין איך ארכיטקטורת המכשיר משפיעה על היענות התדר, מהירות המדידה והטווח הדינמי המוצגים, תבוצע השוואה של ההיענויות הספקטראליות של צורת גל רדאר בעל מחזור פעולה קצר ופס רחב באמצעות טכניקות ניתוח מסוג swept-tuned ומבוססות FFT. למרבה המזל, מספר נתחי אותות כמו ה- Agilent N9030A PXA כוללים יכולות swept-tuned ו-FFT המאפשרות השוואה ישירה של שתי הטכניקות הללו באותו המכשיר. בנוסף, מספר נתחי אותות יכולים לשמש כנתח אותות וקטורי למדידות של פרופילי פאזה, מודולציה, ניתוח ארעי וספקטרוגראמות.

אותות רדאר משוננים (Chirped Radar Signals)

רדאר מבוסס פולסים משדר סדרה פריודית של פולסים צרים ומקבל הדי מטרה בין הפולסים במהלך זמן אי הפעולה של המשדר. טכניקות דחיסת פולסים באמצעות צורות גל LFM (linear frequencymodulated) או “משוננות” (chirped) יכולות לשפר את רזולוציית הטווח עם הספק שידור ממוצע גבוה יותר באופן יחסי בהשוואה לצורות גל בעלות פולסים צרים הפועלות בטווח תדרים אופרטיבי דומה[2]. בין אם זה מושג על ידי ישום צורות גל מבוססות פולסים או משוננות, הגדלת רזולוציית הטווח והטווח הברור דורשת רוחב-פס רחב וצורות גל בעלות מחזורי פעולה קצרים בהתאמה. השילוב של טווחי תדרים רחבים ומחזורי פעולה קצרים יוצר אתגרי מדידה ייחודיים, שכן יש סבירות נמוכה יותר לקלוט את סוגי האותות הללו במהלך מדידה טיפוסית.

מדידות רדאר משוננות בערוץ רחב-פס באמצעות נתחי Swept-tuned

כדוגמה, תרשים 1 מציג את היענויות התדר הנמדדות של אות משונן רחב פס עבור סטיית תדר של 80 מגהרץ עם רוחב פולס של 2 מיקרו שנייה ומשך זמן של 20 מיקרו שנייה, למרות שנתחי האותות של היום יכולים לנתח בקלות אותות רדאר משוננים של 1 גיגה-הרץ. שתי המדידות המוצגות בתרשים זה נרשמו באמצעות שימוש בנתח swept-tuned המאורגן עם זמני sweep שונים כדי להשוות את ההשפעות של קונפיגורציית המכשיר על צורות גל בעלות מחזורי פעולה קצרים. המדידה שבצד שמאל בוצעה באמצעות נתח שזמן הsweep שלו נקבע אוטומטית ל1 מילי שנייה. במקרה זה, זמן הsweep של הנתח הינו מהיר מדי לקליטה של כל האנרגיה הספקטראלית בצורת הגל. אנרגיה ספקטראלית נרשמת כל 20 מיקרו שניות במהלך הsweep, אולם דבר לא נרשם כאשר הsweep עובר מפולס לפולס. מכיוון שנתחי swept-tuned מודדים בצורה רציפה את האותות במהלך sweep, הפולסים הפריודיים הללו מופיעים כרכיבי אנרגיה של תדר אינדיבידואלי עם מרווח שווה. לאלה מתייחסים לעיתים קרובות כקווי PRF (pulse repetition frequency). שים לב שהאותות הללו אינם בעלי משמעות ספציפית של תחום תדרים ויזוזו עם כל sweep [2]. כדי למדוד את התוכן הספקטראלי המלא של צורת הגל המשוננת, יש להקטין את מהירות הsweep של הנתח כך שהפולס יתרחש בכל “דלי” (bucket) או נקודת מדידה של הsweep.

בדוגמה זו, זיהוי שיאים (peak detection) היה מופעל וזמן הsweep הוגדל ל-100 מילי שניות. הספקטרום המשונן הרצוי הינו התוצאה המוצגת מימין בתרשים 1.

תרשים 1. אות רדאר משונן של 80 מגהרץ שנמדד כפונקציה של זמן sweep על נתח הספקטרום PSA של Agilent במצב swept-tuned). ה-RBW (resolution bandwidth) היה 3 מגהרץ בשתי המדידות.

מדידות רדאר משונן רחב-פס באמצעות נתחי ספקטרום מבוססי FFT

מדידת אותה צורה משוננת (chirp) באמצעות נתח ספקטרום מבוסס FFT הינה פחות אופטימאלית. הסיבות לכך קשורות לאופן בו נתח ספקטרום מבוסס FFT מבצע sweeping או מדידה על פני span הגדול מטווח תדרי מדידת ה-FFT של המכשיר. ביסודו של דבר, הנתח חייב למדוד את הספקטרום מקטע אחר מקטע ולאחר מכן לשרשר או “לתפור” את התוצאות. עבור ניתוח טווחי תדר רחבים, זה אף יכול להיות מהיר. גישה זו עובדת בצורה סבירה עבור אותות רציפים אולם הינה פחות אפקטיבית עבור אותות מבוססי פולסים – עקב יעילות המדידה. הזמן הנדרש על ידי הנתח להתכוונן מחדש בין כל מקטע של הספקטרום הרצוי הינו ארוך ביחס לזמן הקצר בו נתונים נדגמים עבור כל חישוב FFT. התוצאה  הינה סבירות נמוכה של קליטת האות, במיוחד עבור אותות עם מחזורי פעולה קצרים.

בדוגמת הנתח swept-tuned, זמן הsweep הואט על מנת להגדיל את מספר הפעמים בהם נקלטה אנרגיית הפולסים במהלך הsweep. התוצאה הייתה מבט טוב יותר על האות כמוצג בתרשים 1. יחד עם זאת גישה זו לא תעבוד עם נתח ספקטרום מבוסס FFT מכיוון שייתכן שאפילו אין לו בקרת זמן sweep. אם יש לו כזו אין זה אותו הדבר אף על פי שהוא עשוי לדמות בקרת sweep קונבנציונלית.

גישה חלופית לשיפור מדידות RF מבוססות פולסים אשר עובדת עם נתח ספקטרום מבוסס FFT הינה להקטין את הגדרת ה-RBW. עם הקטנת ה-RBW המדידה מאיטה ובכך מגדילה את ההסתברות של הקליטה. אם ערך ה-RBW מוקטן דיו, החמצת אות אינה יותר סוגיה מכיוון שהנתח רואה את הרכיבים הספקטראליים של האות כצורות גל רציפות אשר סכומן יוצר את האות מבוסס הפולס.

עם ערך RBW צר, נתח הספקטרום מבוסס ה-FFT בעצם הופך ליעיל יותר במדידת ספקטרום לעומת נתח swept-tuned עם ערך RBW צר שווה ערך, למרות העובדה שהנתח עדיין חייב “לתפור” יחדיו את הספקטרום ממספר מקטעי FFT מחושבים. למשל, הזמן הנדרש למדידת 140 מגהרץ של ספקטרום עם RBW של 1 קילוהרץ הינו 3.3 שניות ב-PXA במצב FFT. בכל זאת, הקטנת ה-RBW כדי למדוד אות RF מבוסס פולס גוררת עלויות בצורת מהירות המדידה והטווח הדינמי.

תרשים 2 מציג מדידה של אותו רדאר משונן שנמדד בתרשים 1, הפעם תוך שימוש במצב FFT של נתח הספקטרום PXA של Agilent וערכים שונים של RBW. עם ערך ברירת המחדל של ה-RBW קבוע ל-3 מגהרץ, המדידה הינה לא סדירה. על ידי הקטנת ה-RBW ל-1 קילוהרץ אנו יכולים למדוד את הספקטרום. יחד עם זאת, עתה המדידה לוקחת 3.3 שניות לעומת 30 מילי שניות עבור המצב swept-tuned המוצג בתרשים 1. בנוסף, הקטנת ה-RBW אף מגדילה את כמות ביטול הרגישות (desensitization) של הפולס המסתיימת בטווח דינמי מוקטן. כשמשווים את התרשימים, המצב swept-tuned משיג כ-15 dB יותר טווח דינמי לדוגמה זו. הסבר של ביטול הרגישות (desensitization) של הפולס ניתן למצוא ב- Radar Measurements Application Note של Agilent [2].

תרשים 2. אות רדאר משונן 80 מגהרץ אשר נמדד באמצעות ה- Agilent PSAבמצב FFT כפונקציה של ה-RBW של המכשיר. בקרת זמן sweep אינה זמינה במצב FFT.

מדידות אות רדאר משונן באמצעות נתח אותות וקטורי – VSA (Vector Signal Analyzer)

כפי שהוצג בדוגמאות הקודמות, נתח מבוסס FFT כולל מגבלות כאשר span ו/או האות הרלוונטי מתפרשים מעבר לתחום התדרים של הניתוח (תחום תדרי ה-FFT) של הנתח. יחד עם זאת, עבור אותות הנמצאים בתחום תדרי הניתוח של המכשיר, נתח אותות מבוסס FFT יכול לספק ניתוח עשיר כאשר הוא מיושם כנתח אותות וקטורי.

ניתוח מודולציה הינו אפשרי מכיוון שנתח אותות וקטורי מודד את הגודל וגם את הפאזה של הסיגנל לאורך זמן ותדר. תרשים 3 מציג את האמפליטודה, הפאזה והיענות התדר עבור אות רדאר משונן כפונקציה של זמן הנמדדת סימולטנית באמצעות תוכנת ה- Agilent 89601A VSAהמחוברת לנתח הספקטרום PSA של Agilent.

תרשים 3. מדידות תדר,זמן ופאזה באמצעות תוכנת ה-VSA ונתח הספקטרום PSA של Agilent.

הביצועים של נתח אותות וקטורי נקבעים בעיקר על ידי היכולות של הדיגיטייזר שלו [2]. למשל ה- Agilent PXA משתמש בדיגיטייזר של 400 MSa/sec עם 14 ביטים של רזולוציה עבור 140 מגהרץ של תחום תדרי  ניתוח וטווח דינמי נטול עיוותים של  75 dBc.

ניתן להשיג תחומי תדרים רחבים יותר על ידי שימוש בנתח אותות וקטורי UWB (ultra-wideband) כגון ה- Infiniium DSO90000A Series oscilloscope-based VSAשל Agilent. הנתח DSO90000A דוגם ב-40 GSa/s עם 8 ביטים של רזולוציה ולכן מסוגל לתמוך בתחומי תדרי ניתוח של עד 13 גיגה הרץ (למרות שהוא מציע פחות טווח דינמי מאשר ה-PXA). זה עשוי להיות מאוד מועיל לניתוח צורות משוננות רחבות פס כגון הצורה המשוננת בת ה-1 גיגה הרץ שהוצגה בדוגמאות הקודמות. במקרה זה, האוסילוסקופ משתמש באותה תוכנת VSA בה משתמש ה-PXA. מכיוון שהאוסילוסקופ דוגם ב-40 GSa/s, הוא יכול למדוד את אות רדאר ה- X-Bandהזה ישירות בלי צורך בהמרה כלפי מטה (down conversion, ראה תרשים 4).

תרשים 4. מדידות תדר,זמן ופאזה של אות רדאר משונן בן 1 גיגה הרץ באמצעות תוכנת ה-VSA והאוסילוסקופ מסדרה DSO90000A של Agilent.

מסקנה

נתחי אותות משתמשים בגישות שונות למדידת הספקטרום של אותות. לכל גישה יש יתרונות ומגבלות משלה. השינויים הללו הינם גלויים ביותר וקריטיים כאשר מודדים אותות מבוססי פולס רחבי פס כגון רדאר. היתרונות והחסרונות מסוכמים בטבלה 1. מכשירים המתפקדים כנתחים swept-tuned, נתחי FFT ונתחי אותות וקטוריים כגון נתחי ה-PSA, PXA ו-MXA של Agilent, מספקים ביצועים ויכולות אופטימאליים בלי קשר למאפיינים של האות הנמדד.

מידע נוסף אודות מדידות עבור רדאר ניתן למצוא ב- Radar Measurements Application noteשל Agilent שהוזכר קודם לכן. ניתן להזמין מסמך זה מ-www.agilent.com/find/radarprogram או להורידו מ-www.agilent.com/find/ad.

סימוכין

[1] Agilent Application Note 150, “Spectrum Analyzer Basics”, Literature number 5952-0292.

[2] Agilent Application Note, “Radar Measurements”, Literature number 5989-7575EN.

[3] Agilent PSA Series High Performance Spectrum Analyzers, Literature number 5980-1283E.

[4] Agilent Application Note 150-2, “Spectrum Analysis – Pulsed RF”, Literature number 5952-1039.

סיכום ביצועים

טבלה 1. טבלת סיכום המשווה ביצועים ויכולות של נתחי אותות swept-tuned לעומת נתחי אותות מבוססי FFT

הערה: מסמך זה פונה לגברים ולנשים כאחד ומנוסח בלשון זכר מטעמי נוחות בלבד.