Параметры импульсных сигналов: Виды и параметры импульсных сигналов

Параметры сигналов импульсных РЛС, методы их сжатия и измерения

Параметры имульсных сигналов 

Характеристики и возможности импульсной РЛС в большой степени определяются параметрами импульсного сигнала. Мощность, частоту следования, длительность и модуляцию импульса можно выбрать так, чтобы получить оптимальное сочетание для данного приложения.

Мощность импульса непосредственно влияет на максимальную дальность до цели, которую РЛС способна обнаружить. Частота следования импульсов определяет максимальный диапазон однозначного измерения дальности. Длительность импульса определяет пространственное разрешение РЛС. Кроме того, длительность и форма импульса определяют спектр сигнала РЛС. Сокращение длительности импульса расширяет полосу сигнала, а расширение полосы системы увеличивает уровень шума приемника, что приводит к снижению чувствительности. Поскольку форма сигнала может определять его полосу и влиять на обнаружение и идентификацию цели, ее надо выбирать в соответствии с требованиями приложения.

Укорочение импульсов и снижение частоты их повторения повышают разрешение и диапазон однозначного измерения дальности, а повышение мощности увеличивает дальность действия РЛС. Однако существуют практические ограничения длительности и мощности импульсов. Например, большая пиковая мощность сокращает срок службы ламп выходного каскада передатчика. К счастью, для существенного снижения требований, предъявляемых к мощности и длительности импульсов, можно использовать сложные формы сигналов и методы сжатия импульсов.

 

Методы сжатия импульсов 

Методы сжатия позволяют использовать сравнительно длинные импульсы, не теряя разрешения по расстоянию. В основе сжатия импульсов лежит понятие энергии. Длинный импульс снижает пиковую мощность передачи, сохраняя при этом ту же энергию импульса. После приема импульс сжимается с помощью согласованного корреляционного фильтра, что приводит к сокращению его длительности и увеличению пиковой мощности. РЛС, использующая сжатие импульсов, имеет и высокое разрешение по дальности, и высокую энергию излучения без увеличения пиковой мощности передатчика.

Для обеспечения возможности сжатия в приемнике с помощью согласованного фильтра излучаемый импульс модулируется тем или иным образом. Согласующий фильтр можно реализовать в цифровом виде с помощью функции взаимной корреляции, сравнивающей принятый импульс с переданным. Оцифрованный принятый сигнал периодически сдвигается по времени, подвергается преобразованию Фурье и умножается на сопряженное преобразование Фурье оцифрованного переданного сигнала.

Выходной сигнал коррелятора пропорционален корреляции двух сдвинутых по времени сигналов. При совмещении сигналов на выходе функции взаимной корреляции или согласующего фильтра появляется выброс. Этот выброс соответствует отраженному сигналу цели и в общем случае может быть в 1000 раз короче переданного импульса. Даже если несколько длинных передаваемых импульсов наложатся в приемнике друг на друга, после сжатия короткие импульсы окажутся разнесенными по времени и цели будут разделены.

Для достижения высокого коэффициента сжатия сигнала можно использовать разные способы его модуляции: линейную частотную модуляцию (ЛЧМ), двоичное кодирование фазы (например, кодами Баркера) или полифазное кодирование (например, кодами Костаса). На рис. 1 показаны диаграммы неопределенности, иллюстрирующие зависимость параметров разных методов сжатия от длительности импульса и допплеровского смещения частоты.

Рис. 1. Диаграммы неопределенности иллюстрируют зависимость точности определения положения от точности допплеровского смещения для разных типов радиолокационных импульсов*Под длительностью импульса на диаграммах неопределенности понимается длительность импульса на выходе детектора РЛС

 

Измерение характеристик импульсных РЛС

Для проектирования высокопроизводительных и недорогих РЛС нужно знать, как выполняются измерения ее характеристик и как измерительные приборы воспринимают ее сигналы. Наиболее важные измеряемые характеристики РЛС включают мощность, спектр, параметры импульса, усиление антенны, эффективную поверхность рассеяния цели (ЭПР), коэффициенты усиления и потери компонентов, коэффициент шума и фазовый шум. Уравнение дальности действия РЛС показывает, как ее основные параметры, указанные на рис.  2, непосредственно влияют на ее характеристики.

Рис. 2. Основные переменные уравнения дальности РЛС на примере передатчика и приемника гибридной аналого-цифровой РЛС

Для измерения мощности импульса, спектра и других характеристик можно использовать несколько типов оборудования, например, измерители мощности, анализаторы спектра и анализаторы сигналов. Поскольку каждый измерительный прибор имеет свои достоинства и недостатки, лучший выбор зависит от цели измерения и от ограничений, накладываемых на РЛС и контрольно-измерительное оборудование.

 

Недорогие решения для измерения параметров импульсов 

Ваттметр является самым распространенным и недорогим решением для измерения мощности. Полнофункциональная модель может измерять среднюю мощность, пиковую мощность, скважность и различные статистические показатели. Ваттметры используют преобразователь, называемый датчиком мощности, который преобразует высокочастотную мощность в постоянное напряжение или низкочастотный сигнал, уровень которого можно измерить по отношению к опорному уровню ВЧ/СВЧ-мощности.

Самым недорогим прибором для измерения частотных и временных характеристик импульсного сигнала является частотомер. Функция стробирования по времени позволяет измерять статистические параметры ЛЧМ-сигналов. Добавление опционального третьего канала для измерения синусоидальных СВЧ-сигналов и подключение поддерживаемого измерителя и датчика мощности позволяет создать недорогое решение для измерения мощности импульсов.

 

Измерение мощности и спектра  импульсов с помощью анализатора спектра или сигналов

Главное преимущество анализаторов спектра и сигналов заключается в их способности измерять частотный состав и мощность сигнала. Спектральная информация может выявлять проблемы, вызывающие неоптимальную работу РЛС, например, потерю мощности и излучение нежелательных сигналов. На рис. 3 видно, что спектр может дать информацию о длительности, периоде и скважности импульсов.

Рис. 3. Частотный спектр показывает полезную информацию об импульсом сигнале во временной области

Современные анализаторы спектра, такие как анализатор сигналов Keysight серии UXA (рис.  4) используют цифровое свипирование, что дает выигрыш по скорости, точности и фазовому шуму по сравнению с аналоговыми решениями. Анализаторы сигналов используют для расчета спектра аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифровые сигнальные процессоры (ЦСП) и быстрое преобразование Фурье (БПФ). Основным преимуществом анализаторов сигналов на основе БПФ является скорость вычисления, особенно для внутриканальных измерений.

Рис. 4. Анализатор сигналов Keysight серии UXA

Благодаря улучшенным высокоскоростным АЦП и таким методам обработки, как подавление собственных шумов, динамический диапазон современных анализаторов сигналов приближается к динамическому диапазону панорамных анализаторов. Поскольку анализаторы сигналов рассчитывают фазовую информацию, они могут выполнять векторный анализ сигналов и демодуляцию сложных сигналов. Добавление измерительного ПО для анализа импульсов дополнительно упрощает и расширяет измерения сигналов РЛС.

 

Комплексные решения для анализа импульсов

Процесс анализа импульсов часто разбивается на три важных этапа: запуск, захват сигнала и измерение или анализ. Эти операции могут выполняться индивидуально отдельными приборами или одним анализатором сигналов. Первые этапы анализа импульса, т. е. поиск полезного сигнала и синхронизация измерений, могут оказаться весьма непростыми.

Обычно для анализа импульсов используют две разные аппаратные платформы: анализаторы сигналов с широкополосным цифровым трактом ПЧ и осциллографы или АЦП с достаточно высокой частотой дискретизации для непосредственной обработки ВЧ/СВЧ-сигналов. И хотя многие измерения анализаторов сигналов и осциллографов совпадают, лучший выбор входного интерфейса зачастую определяется двумя факторами: полосой пропускания и динамическим диапазоном. Высокоскоростные АЦП в ВЧ/СВЧ-осциллографах обеспечивают очень широкую полосу пропускания и высокую линейность фазы. В отличие от этого, более медленные АЦП и полосовые фильтры анализаторов сигналов обеспечивают более широкий динамический диапазон.

Практическим преимуществом анализаторов сигналов является то, что они могут поддерживать бесшовное переключение между измерениями панорамными, векторными и в режиме реального времени. Используя интеллектуальные внешние смесители, такой прибор — через один интерфейс пользователя — может поддерживать эти функции в широких полосах и на рабочих частотах до 110 ГГц.

 

Измерение ЭПР, характеристик антенны, компонентов и узлов 

Коэффициент усиления антенны является ключевой переменной уравнения дальности РЛС и, следовательно, непосредственно влияет на характеристики всей системы. Другие важные параметры включают поляризацию, ширину луча, направление максимума диаграммы направленности и боковые лепестки. Векторный анализатор цепей (VNA) идеально подходит для выполнения этих измерений в различных ситуациях: в больших и малых конфигурациях дальнего поля или в планарных, цилиндрических или сферических конфигурациях ближнего поля.

Для мультиаппертурных антенн и фазированных антенных решеток ключевыми факторами, влияющими на выбор наилучшего измерительного решения, являются размер антенны и необходимое время измерения. Если число каналов невелико, то достаточным может оказаться решение на базе векторного анализатора цепей. Если же число каналов выражается двузначным числом, то более эффективным может оказаться многоканальное типовое решение на базе модульного измерительного оборудования.

Значение ЭПР непосредственно влияет на дальность действия РЛС. Измерение ЭПР порождает целый ряд проблем, связанных с малым уровнем сигнала, который требует применения очень чувствительных измерительных приемников со смесителями. Кроме того, для улучшения результатов измерения может понадобиться стробирование по времени, исключающее отражения от объектов в пределах измеряемого диапазона.

Компоненты сигнального тракта — фильтры, дуплексеры, циркуляторы — могут вносить потери, сильно влияющие на параметры системы. Такие искажения, как неравномерность фазы, неравномерность амплитуды и групповая задержка, тоже могут влиять на характеристики РЛС. Потери легко измеряются двухпортовыми измерителями мощности. Векторные анализаторы цепей предлагают широкий диапазон измерений непрерывных и импульсных сигналов, позволяя измерять детальные характеристики компонентов и узлов всего сигнального тракта внутри радиолокационной системы.

 

Коэффициент шума, уровень боковых лепестков и фазовый шум

Коэффициент шума, уровень боковых лепестков и фазовый шум являются важными характеристиками, сильно влияющими на параметры любой радиолокационной системы: коэффициент шума непосредственно влияет на характеристики приемника, уровень боковых лепестков влияет на пространственное разрешение, динамический диапазон и другие параметры, а фазовый шум порождает боковые полосы частот, снижающие отношение сигнал/шум (С/Ш). Эти измерения можно эффективно и точно выполнять с помощью специализированных решений или с помощью универсальных анализаторов, оснащенных специальными измерительными приложениями. В конечном итоге способность измерять, анализировать и понимать эти параметры радиолокационной системы позволяет улучшить пространственное разрешение, динамический диапазон, отношение сигнал/шум и многие другие характеристики.

Литература

1. http://www.astena.ru/radar_2. html

Общая характеристика импульсного сигнала

радиоликбез

Общая характеристика импульсного сигнала

Виды импульсных сигналов. Под импульсной техникой понимают область радиоэлектроники, изучающую формирование импульсных сигналов и их прохождение через электрические цепи. Импульсный сигнал может состоять из одного или серии импульсов. Под импульсом понимают быстрое появление и исчезновение тока или напряжения, т. е. кратковременное действие тока или напряжения на электрическую цепь или устройство. В импульсной технике различают два вида импульсных сигналов — видеоимпульсы (рис. 149, а), представляющие собой кратковременные односторонние (относительно оси времени) изменения напряжения или тока в цепи постоянного тока, и радиоимпульсы (рис. 149,б)—сигнал, состоящий из высокочастотных колебаний напряжения или тока, огибающая которых повторяет форму видеоимпульса. В импульсной технике в основном рассматривают видеоимпульсы.

 

Форма импульсов. Импульсы могут иметь прямоугольную, трапецеидальную, колоколообразную, треугольную и экспоненциальную

Рис. 149. Одиночные импульсы: а — видеоимпульс, б — радиоимпульс

форму (рис. 150). В импульсе различной формы различают фронт, вершину и спад. Импульсы могут быть положительной или отрицательной полярности. Импульсы положительной полярности на графиках изображают выше горизонтальной оси времени, а отрицательной — ниже оси.

Параметры импульсов. Каждый импульс характеризуется амплитудой А (см. рис. 149, а), длительностью импульса t_и, длительностями фронта t_ф, спада t_с, снижением вершины ΔА, а также мощностью в импульсе Р

и.

Амплитуда однополярного импульса характеризуется величиной (размахом) напряжения или тока от нуля до максимального значения импульса данной формы. В двустороннем импульсе величина от вершины положительного до вершины отрицательного импульса называется полным размахом импульса (полной амплитудой A_п).

Длительность импульса t_п — интервал времени, в течение которого ток или напряжение действует на электрическую цепь. В реальных схемах искажается форма импульсов, поэтому длительность определяют на уровне 0,1A и реже по основанию импульса. Активную  длительность импульса t_и.a измеряют на уровне 0,5 А.

Рис. 150. Формы импульсов: а — прямоугольная, б — трапецеидальная, в — колоколообразная, е — треугольная, д —экспоненциальная

Длительность фронта t_ф и спада t_c оценивается интервалом времени, в течение которого амплитуда импульса нарастает от 0,1 до 0,9 своего максимального значения и падает от 0,9A до 0,1А. В большинстве случаев желательно иметь минимальные t_ф и t_o.

Снижение вершины ΔА практически не должно превышать (0,01—0,05) А.

Мощность в импульсе характеризуется отношением энергии W, выделенной в цепи при прохождении импульса, к его длительности t_и:

Далее

5 Параметры измерения импульсов радара

Радарные системы могут использовать непрерывные сигналы (CW) или, чаще, импульсные сигналы с малой скважностью. Хотя существует несколько типов радаров с непрерывной передачей, в первую очередь доплеровские, подавляющее большинство радаров являются импульсными. Характеристики радиочастотного импульса многое говорят о возможностях радара. Эксперты по радиоэлектронной войне (РЭБ) и электронной разведке (ELINT) специализируются на изучении этих импульсных сигналов. Импульсные характеристики дают ценную информацию о типе радара, излучающего сигнал, и о том, что может быть его источником — парусным судном, линкором, пассажирским самолетом, бомбардировщиком, ракетой и т.

д.

Выбор параметров измерения

Есть несколько параметров, которые необходимо правильно установить, прежде чем пытаться измерять импульсы радара. Они влияют на обработку импульсных сигналов и зависят от характера сигнала и желаемого взаимодействия прибора с поступающими импульсами.

Вот пять параметров, которые необходимо учитывать:

1. Тип измерительного фильтра . Важнейшим параметром при измерении импульсного сигнала является тип измерительного фильтра и полоса пропускания. После оцифровки аналогового сигнала (с помощью анализатора спектра или осциллографа) дальнейшая цифровая обработка может уменьшить и сформировать полосу измерения. Фильтры с более узкой полосой пропускания снижают шум при измерении и, следовательно, уменьшают неопределенность некоторых параметров измерения. Однако это полезно только в тех случаях, когда измеряемый входящий импульс не содержит спектральных составляющих, превышающих применяемый фильтр (либо быстрые фронты нарастания/спада, либо широкие частотно-фазовые модуляции). Например, погрешность измерения времени нарастания увеличивается при использовании узких фильтров из-за высокочастотных составляющих на фронтах импульсов. Узкие фильтры также могут вносить искажения, такие как перерегулирование и звон.
   Одним из типов фильтров, минимизирующих эти индуцированные артефакты, является фильтр Гаусса. По сравнению с базовым полосовым или прямоугольным фильтром фильтр Гаусса вносит очень мало искажений импульса, и его следует выбирать, если необходимо свести к минимуму перерегулирование или звон импульса. Тем не менее, если импульс настолько широкополосный, что самый широкий фильтр Гаусса будет слишком узким, то лучше вообще не использовать фильтрацию после сбора данных и либо ограничить полосу пропускания, изменив настройки прибора, либо использовать максимально доступную полосу пропускания.

2. Порог обнаружения импульса — Типичный алгоритм обнаружения импульса радара требует установки пороговой амплитуды. В некоторых случаях могут быть различия в минимальном уровне шума, и вы редко хотите измерять шум.
   В условиях отсутствия эфира может быть желательно измерять только импульсы с самой высокой амплитудой от ближайшего передатчика. В идеале вы хотели бы найти полученную запись и сначала найти вершину импульса, а затем решить, существуют ли какие-либо импульсы. Вы можете сделать это, сравнив предполагаемую вершину импульса с окружающим сигналом и сравнив ее с определенным дБн или децибелами ниже вершины импульса (см. рис. 1). Этот метод помогает предотвратить запуск измерений по шуму.

   Рис. 1. Пороговое значение обнаружения импульса лучше всего указывать в дБ от уровня несущей.

3. Минимальное время отключения — Некоторые импульсы могут не иметь плоских вершин. Импульс также может иметь преднамеренные изменения амплитуды в верхней части, включая уменьшение амплитуды, что может привести к тому, что детектор импульсов неправильно обнаружит два отдельных импульса. В этом случае может быть полезно указать минимальное время отключения. Это позволяет должным образом обнаруживать импульс с падением амплитуды ниже порога, но длительностью меньше минимального времени выключения.
4. Количество импульсов для измерения — необходимо определить количество импульсов, необходимое для подробной статистики трендов параметров импульсов. Если вас не интересуют тенденции измерения с течением времени, вам редко потребуется измерять параметры для каждого импульса в сборе данных. Если для измерения не нужны все доступные импульсы, то ввод меньшего установленного числа для измерения может значительно сократить время, необходимое для обработки данных и получения результатов.
5. Компенсация спада и время нарастания/спада – Измерения времени нарастания и времени спада имеют два разных определения. Многие измерения используют от 10% до 90% полной амплитуды в качестве определения времени перехода, но в некоторых случаях определение составляет от 20% до 80%.

Рис. 2. Идеализированный ВЧ-импульс.

Рис. 3. Реальный измеренный импульс может иметь множество искажений, которые затрудняют измерение времени нарастания/спада.

Даже при такой гибкости часто этого недостаточно. То, как измеряется вершина импульса, может сильно повлиять на определение времени перехода. Если вершина импульса плоская, то проблем нет (см. рис. 2). Но если верхняя часть импульса наклонена или имеет спад, то существует потенциальная проблема (см. рис. 3). Предположим, что импульс падает на 20 % в течение продолжительности импульса, а верхняя точка перехода составляет 90 % от самой высокой части вершины. Время нарастания этого импульса будет рассчитано правильно, но время спада будет совершенно неправильным, так как 9Точка 0% будет находиться в середине импульса из-за спада.

Одним из способов решения этой проблемы является определение формы импульса при измерении. Проведение наиболее подходящей линии через верхнюю часть импульса позволяет более реалистично рассчитать время нарастания и спада. Чтобы предотвратить перерегулирование и звон на этой линии, аппроксимация должна быть смещена к середине 50% импульса.

 

Измерительная система должна иметь возможность изменять любой из этих параметров, чтобы вы могли получать наилучшие измерения импульсов радара. Осциллографы и анализаторы спектра реального времени Tektronix с программным обеспечением SignalVu-PC позволяют получить многие из этих опций одним щелчком мыши.

Чтобы узнать больше об этих параметрах и лучших способах их измерения, прочитайте наш учебник по основам радиолокационных измерений. Чтобы увидеть базовые радарные измерения с помощью анализатора спектра в действии, посмотрите, как наш инженер по приложениям Алан Волк (Alan Wolke) проводит некоторые стандартные измерения.

Генератор импульсов (справочник Simulink)

Генератор импульсов (справочник Simulink)

Ссылка Simulink

Генератор импульсов

Генерировать прямоугольные импульсы через равные промежутки времени

Библиотека

Источники

Описание

Блок генератора импульсов генерирует прямоугольные импульсы с регулярными интервалами. Параметры формы сигнала блока, Amplitude , Pulse Width , Period , и Phase Delay , определяют форму выходного сигнала. На следующей диаграмме показано, как каждый параметр влияет на форму сигнала.

Генератор импульсов может генерировать скалярные, векторные или матричные сигналы любого типа вещественных данных. Чтобы заставить блок испускать скалярный сигнал, используйте скаляры, чтобы задать параметры формы волны. Чтобы заставить блок испускать векторный или матричный сигнал, используйте векторы или матрицы, соответственно, чтобы задать параметры формы волны. Каждый элемент параметров формы волны влияет на соответствующий элемент выходного сигнала. Например, первый элемент параметра амплитуды вектора определяет амплитуду первого элемента выходного импульса вектора. Все параметры сигнала должны иметь одинаковые размеры после скалярного расширения. Тип данных вывода такой же, как тип данных Параметр Амплитуда .

Параметр Pulse type блока позволяет указать, является ли выход блока временным или выборочным. Если вы выбираете на основе выборки , блок вычисляет свои выходные параметры с фиксированными интервалами, которые вы задаете. Если вы выбираете на основе времени , Simulink вычисляет выходные параметры блока только тогда, когда выходные данные фактически изменяются. Это может привести к меньшему количеству вычислений, необходимых для вычисления выходных данных блока в течение периода времени моделирования.

В зависимости от характеристик формы импульса интервалы между изменениями на выходе блока могут различаться. По этой причине Simulink не может использовать фиксированный решатель для вычисления выходных данных генератора импульсов на основе времени. Simulink позволяет вам задать решатель с фиксированным шагом для моделей, которые содержат основанные на времени генераторы импульсов. Однако в этом случае Simulink вычисляет фиксированный шаг расчета для основанных на времени генераторов импульсов. Затем он моделирует генераторы импульсов на основе времени как основанные на выборке.

Если в качестве типа импульса блока вы выберете основанный на времени, вы должны указать фазовую задержку и период импульса в секундах. Если вы задаете основанный на выборке, вы должны указать шаг расчета блока в секундах, используя параметр Sample Time , а затем указать фазовую задержку и период блока как целое число, кратное шагу расчета. Например, предположите, что вы задаете шаг расчета 0,5 секунды. Предположим, вы хотите, чтобы импульс повторялся каждые две секунды. В этом случае вы бы указали 4 как значение блока 9.0012 Параметр периода .

Поддержка типов данных

Блок Pulse Generator выводит реальные сигналы любого типа данных, кроме int64 и uint64 . Тип данных выходного сигнала такой же, как у параметра Amplitude .

Параметры и диалоговое окно

Импульсный тип

Тип импульса для этого блока: по времени или по выборке. По умолчанию используется время.

Амплитуда

Амплитуда импульса. По умолчанию 1 .

Период

Период импульса, указанный в секундах, если тип импульса основан на времени, или в виде числа периодов выборки, если тип импульса основан на выборке. По умолчанию 2 .

Ширина импульса

Рабочий цикл, указанный в процентах от периода импульса, на который подается сигнал, если он основан на времени, или как количество периодов выборки, если он основан на выборке. По умолчанию 50 процентов.

Задержка фазы

Задержка перед генерацией импульса, указанная в секундах, если тип импульса основан на времени, или в количестве периодов выборки, если тип импульса основан на выборке. По умолчанию 0 секунд.

Время выборки

Длина шага расчета для этого блока в секундах. Этот параметр появляется, только если тип импульса блока основан на выборке.