構建相位和時序精確的多通道脈沖描述字（PDW）雷達信號產生方案

技術背景
近年來，隨著雷達技術的快速發展，以低截獲概率(Low Probability Interception, LPI)雷達為代表的各種新體制雷達在戰場上得到了廣泛的應用。戰場電磁環境變得日益復雜、信號類型變化多樣，如何通過單機實現超寬頻段覆蓋？ 如何克服內存大小對場景模擬時間的限制？ 如何快速構建復雜雷達信號環境？如何快速構建完成雷達信號中五大常規參數：載頻(Carrier Frequency, CF)、脈沖寬度(Pulse Width, PW)、脈沖幅度(Pulse Amplitude, PA)、到達時間(Time of Arrival, TOA)和到達角(Direction of Arrival, DOA)組成的脈沖描述字(Pulse Description Word, PDW)？AnaPico 的APVSG-X系列多通道相參矢量信號發生器為您提供了解決方案！

PDW信號生成的挑戰
過去用于雷達PDW信號生成和測試的信號源的頻率范圍覆蓋0.5-18GHz, 近年來，頻率范圍的需求已經擴展為100kHz-40GHz, 這樣在一個輸出通道中就可以模擬各種不同頻段的雷達信號。
除了要求很寬的頻率范圍，電子戰系統測試用的信號源必須具有很快的頻率和幅度切換速度，這樣才能模擬工作于不同頻段，不同模式的各種類型的雷達。
雷達測試對信號產生的需求總結如下：

• 每秒可產生數以千萬計的脈沖;
• 非常大幅度捷變的范圍；
• 長時間場景的模擬；
• 自適應模擬：根據待測電子戰系統；
• 支持脈沖描述字（PDW）以及脈沖描述字的實時傳輸；
• 支持常見的線性調頻和巴克碼調制，調制帶寬足夠寬；
• 諧波，鏡像，雜散足夠??；
• 時間分辨率對產生精確的脈寬，脈沖重復頻率，到達時差非常重要，需要足夠小的時間分辨率；
• 切換速度：頻率捷變，幅度捷變，使用最少的信號源產生最大的脈沖密度;
• 模擬到達角(DOA): 需要支持多源同步；

AnaPico公司APVSG-X系列多通道相參矢量信號發生器

兩年前，AnaPico推出了單通道和多通道型號的APVSG系列矢量信號發生器（VSG）。這些產品的主要特點是：

• 可輸出100kHz~40GHz的寬帶性能和500MSa/s的數據處理能力，支持400MHz瞬時信號帶寬；
• 512MSa內部存儲器，每個樣本32位，支持順序和波形段ID選擇性回放；
• 快速頻率和幅度切換小于100ns（帶內）和1μs（全頻帶）；
• 支持相位相干和相位相干切換以及相位記憶功能；
• 快速控制端口（FCP），用于快速調制參數設置和高達250MSa/s的數字 IQ 數據流；
• 2U標準機箱支持4路獨立可控但具有相參關系的信號通道輸出；

上述功能組合能夠靈活地生成相位和時序精確的多通道相參雷達信號。AnaPico還開發了用戶友好且具有成本效益的軟件，以支持AnaPico多通道APVSG上的雷達信號生成。

圖1：AnaPico單通道（左）和多通道相參（右）矢量信號發生器

脈沖描述字（PDW）
測試雷達的工程師需要能夠生成多個脈沖流，每個脈沖支持數十個參數，如頻率、幅度、相位、脈沖寬度、時間位置和脈沖內調制或啁啾。表 1 總結了描述單個雷達脈沖的典型參數集，稱為脈沖描述字（PDW）。PDW描述了一部接收機看到的每個脈沖所攜帶信息的重要特征。PDW列表將完整描述雷達脈沖流。
在多發射機的環境，你可以通過去脈沖去交織技術來分離來自不同發射機的脈沖串。換句話說，可以根據不同的參數和脈沖間的一致性把脈沖描述字分組，對于重疊的脈沖基于用戶定義的優先級來處理（例如，發生重疊時處理最強的信號）
多面雷達天線陣列需要額外的參數來進行多方面面表征。對于這些陣列，解決相對相位穩定性的通道間相位相干性變得很重要。相位相干切換（通道之間的相對相位存儲在存儲器中）和通道間時序精度也是關鍵參數。

PDW信號生成模式
AnaPico的APVSG矢量信號發生器支持兩種不同的模式來生成PDW。這些模式通過VSG內的電路實現。圖 2 顯示了兩種PDW相關操作模式的框圖。

圖2：PDW列表播放的操作模式

模式1：PDW序列回放
在這種模式下，可以通過以太網或USB通信端口將預編譯為數據格式的PDW列表上傳到APVSG內部存儲器中。在回放過程中，每個PDW按順序實時轉換為相應的調制參數。這將產生調制雷達信號流，并且可以使用多通道APVSG回放精確時序的PDW序列甚至是PDW嵌套序列。

圖3：PDW序列和嵌套序列回放

模式2：流式傳輸模式 PDW（實時數據）
在此模式下，各個PDW通過APVSG FCP高速數據接口按順序實時饋入APVSG內部存儲器，以便立即回放，如模式1中所述。

圖4：APVSG中FCP功能圖及PDW流式傳輸的示意圖

APVSG主要功能和性能
為了生成近似于真實序列的雷達脈沖序列，許多特征和方面都很重要?？焖偾袚Q是一個關鍵參數。VSG 必須支持從小于1微秒到幾微秒的脈沖寬度。頻率啁啾速率受400MHz調制帶寬的限制。在1μs脈沖寬度下，可以產生接近400MHz/μs的線性調頻速率，并具有出色的信號質量。
相位相干性是另一個重要功能。對于多通道VSG來說，要實現正確的雷達波束角規格，相位相干性成為最相關的特征。多通道的APVSG在運行數小時內的相位差變化在產生5GHz輸出信號的兩個通道之間只為0.3° RMS。
通道之間的確定性相位差對于在雷達運行期間維持角度信息至關重要。對于給定的頻率和功率設置，通道之間的相位差不會改變，即使電源電源打開和關閉也是如此。這稱為相位相干切換，如圖 5 所示。紅色正弦信號是參考通道。藍色信號切換到不同的頻率并且存在相位偏移，但是當兩個信號返回到相同的頻率設置時，藍色信號與紅色信號保持相同的相對相位。
多通道APVSG在整個工作頻率范圍內支持精度高達+/-1ps RMS的精細延遲。這允許以精確的時序生成多個雷達信號流。VSG中的功能稱為時序精確的多通道觸發。獨特的延遲機制可實現這種精細的觸發延遲調整。有效分辨率是采樣時間的一小部分，通常小于1/2000。這相當于不到1ps，硬件采樣時間為2ns。圖 6 顯示了精細延遲設置功能。

圖5：APVSG相位相干切換示意圖

圖6：APVSG在相同的啁啾信號上設置延遲

結論

AnaPico公司的APVSG多通道相參矢量信號發生器具有快速捷變、相位相干、相位相干切換和時序精確操作等特點。這些VSG允許用戶在雷達和電子戰應用場景中輕松生成通用和真實的脈沖信號。PDW的多個列表可以從內部存儲器或通過快速控制端口實時流盤播放。
AnaPico的APVSG矢量信號發生器主要指標如下：