高速数据采集卡在雷达信号的采集与分析中的应用笔记

使用短占空比，多种调制类型和关键定时的脉冲波形的雷达信号需要提供高带宽，成比例的采样率，长内存和快速数据传输的测量系统。高速模块化数字化仪是采集和处理雷达信号的理想选择，并为这些测量提供了多项优势。它们提供了高带宽，长采集内存以及特殊的采集模式以最大程度地利用内存，这些紧凑型仪器提供了高速测量和高精度分析。本文将重点介绍使用高速模块化数字化仪进行雷达系统测量的一些优势。

雷达系统依赖于脉冲调制射频（RF）载波，通常包括频率，相位和复数调制。测量仪器的作用是以最大可能的保真度获取这些脉冲波形并测量关键参数。如图1中的雷达信号，这是一个基本脉冲调制的1GHzRF载波。

图1：采集基本的脉冲RF雷达信号，及执行简单的RMS波形检测以测量信号包络上的关键定时参数的步骤

图1顶部轨迹中的信号是用M4i.2234-x8数字化仪获取。这是一个基于PCIExpress总线的4通道8位数字转换器，1.5GHz带宽，最大采样率5GS/s。此带宽和采样率与直接采集VHF和较低UHF雷达以及许多较高频率雷达的中频兼容。该数字化仪包括4GB采集内存。一个4GB的内存可以以5GS/s的最大采样率获取800ms的数据。这为长时间的采集提供了良好的时间分辨率，有助于分析相位或频率调制信号。在此示例中，数字化仪用2.5MS以5GS/s的最大采样速率获取了500µs数据。尽管此示例仅使用完整的存储器获取了五个脉冲，但可以获取8000多个类似的脉冲。

SBench6是用于查看数字化仪数据的软件。它是标配的，是控制和查看数字化仪数据的一种方式，它还包括用于测量和分析所采集波形的内置工具。例如，用频率测量来测量信号的载波频率，结果在图左侧的信息窗格中显示为1.000GHz。SBench6还有许多数值分析工具，包括快速傅立叶变换（FFT）和有限脉冲响应（FIR）滤波。

脉冲重复频率(PRF)可以从屏幕上估计，但使用该软件的测量工具可以得到更准确的值。准确地测量PRF、脉宽和占空比的最佳方法是提取脉冲调制波形的包络线。可以通过对信号进行平方（中间迹线），然后对其进行低通滤波（底部迹线）来实现。此操作执行均方根(rms)检测，中心轨迹的平方波形与信号的瞬时功率成正比。如果需要功率测量，可通过除以50Ω输入阻抗重新校准数据，并将单位改为瓦特完成转换。

滤波操作后，脉冲序列的包络线显示在底部轨迹中。再次使用该软件的测量工具来读取脉冲的PRF，即10kHz，宽度为9.955µs，占空比为9.955％。

调制脉冲

脉冲压缩通常用于提高雷达的距离分辨率。压缩包括调制脉冲载波，使脉冲中的每个瞬间彼此不同。通常使用频率或相位调制来完成。雷达接收器提供必要的数字信号处理以影响脉冲压缩。

在脉冲持续时间内扫描或改变载波频率是一种常见的技术，由此产生的调频脉冲称为“线性调频脉冲”。图2是线性扫描雷达线性调频脉冲的示例。

调制后的脉冲显示在左侧网格中。在脉冲期间，载波频率从标称998MHz线性变化到1002MHz。这在右侧网格中的FFT提供的频域视图中很明显。平坦的顶部频谱显示了扫描期间的频率变化。平顶频谱显示了扫描期间的频率变化。频谱上的游标读取3.62MHz载波的频率变化范围。

图2：线性扫描雷达线性调频脉冲的示例，脉冲的频谱显示了应用于载波频率的近4MHz线性扫描范围。

相位调制也可以实现脉冲压缩。相位调制技术将脉冲分成多个段，每个段都以特定的相移传输。这些段的长度相等，相移的选择由代码确定。通用代码是二进制的，其中代码值根据代码序列在+1和-1之间切换，对应于0°和180°的相移。最常用的代码序列是巴克码，它与其他序列的自相关性较低，并且产生的旁瓣较低。

图3：使用长度为13的巴克码的调相脉冲，作为波形中的陷波，相位反转很明显

图3是使用长度为13的巴克码的调相脉冲的示例，最好在主机中对调相脉冲进行解调，这样可以进行更复杂的数据分析，可以使用第三方软件，如MATLAB或LabVIEW，甚至可以用C，C++或Python进行自定义编程。这些第三方程序提供了快速解调这些信号的功能。可以根据应用程序进行定制，它们提供了极大的灵活性，支持进行更复杂的分析。   

M4i.2234-x8数字化仪的PCIex8 Gen2接口增强了在数字化仪外部进行处理的能力。使用Spectrum的驱动程序，该接口可以在合适的主机上实现大于3.4GB/s的数据传输速率。这种传输速率在处理高速信号采集是非常重要的，它可以采集多达4GB的数据，因为它可以将数据快速传输到主机。

对于那些中级编程技能的人来说，并行处理的SpectrumCUDA访问选项（SCAPP）提供了更大的处理能力，该选项允许数字化仪与基于CUDA的图形处理单元(GPU)直接连接，这使GPU的多处理核心和超大内存可用于高级高速信号处理。在此应用程序中，它可以提供更快的计算时间。

图4：使用在主机上运行的专有程序进行相位解调，解调后的波形仅在存在载波的情况下才有效。

图4显示了使用专有解调程序获取调相脉冲的结果。解调波形仅在信号载波存在时有效，它显示了巴克码序列值，可以看到13位的巴克码（+1+1+1+1+1-1-1+1+1-1+1+1-1+1），+1代表0°，-1代表180°。这是最长的巴克码序列。该代码的频谱旁瓣电平为-22.3db。

第三方软件包如LabVIEW和MATLAB提供了专门为雷达分析设计的应用程序包。MathWorks在MATLAB相控阵系统工具箱中包含RadarWaveformAnalyzer应用程序就是一个很好的例子。Spectrum提供驱动程序和示例程序，以将这些程序与其数字化仪连接起来。

该模块数字化仪还提供多种采集模式，旨在有效地使用采集内存，减少采集之间的死区时间，尤其是对于信号（如雷达应用中的信号）而言，它们的占空比很低。

图5：通过在多路采集模式下采集波形，可以更有效地使用采集内存，此模式可获取多个波形，每个波形均位于其自己的段中，这消除了重大事件之间的停滞时间，时间戳记记录每次触发的时间。

如图5a所示，多重记录或分段模式允许以极短的重新布防时间(在5GS/s采样率下约6.5ns)记录多个触发事件。采集存储器被分成若干大小相等的段。每个触发事件填充一个段。在段触发事件之间停止采集，以节省可用内存。用户可以在段内对触发前和触发后的时间间隔进行编程。所获取的段数仅受所使用内存的限制，在使用先进先出(FIFO)获取模式时不受限制。与多个触发器关联的重要数据存储在连续段的采集内存中。不记录与事件之间的死区时间相关的数据。每个触发器事件都有时间戳，因此可以知道每个触发器的精确位置。图5b显示了“多重记录”模式的时间戳操作的图形视图。时间戳存储在卡上硬件的额外FIFO内存中。如果需要，可将其读出。

多重采集模式通过不记录死区时间来节省存储空间。这在可用的采集存储器中提供了更多重要事件。图1中的脉冲宽度约为10µs，死区时间为90µs，因此在多重采集模式下，将不会记录90µs，并且可以采集并存储另外9个脉冲。这种模式在研究雷达操作中脉冲之间的变化时非常有用。还有其他几种采集模式，可以更有效地控制数字化仪，优化数据采集过程。

雷达信号很难测量，但是模块化数字化仪非常适合这些信号的采集和分析。数字化仪提供了出色的信号完整性，并提供了多种工具来分析采集的波形。快速将数据传输到主机的能力使更广泛的分析工具可用，从而产生了非常灵活的雷达测量系统。