序言

在雷达系统测试应用中，毫无疑问，矢量信号源起着举足轻重的作用。不仅可以为雷达发射机和接收机提供高质量本振信号，更重要的是，还可以按照测试所需生成各式各样的波形，这就是矢量信号源的优势。

众所周知，距离分辨率决定了雷达在距离维度上的分辨能力，是目标探测雷达和成像雷达非常重要的参数。对于简单射频脉冲而言，脉宽大小决定了距离分辨率，脉宽越窄，则距离分辨率越高，反之，距离分辨率越低。

但是，一味减小脉宽来提高距离分辨率是不现实的，一方面脉宽减少，则意味着脉冲信号的平均功率降低了，这会缩短雷达探测距离。另一方面，太窄的脉冲也在技术实现上提出了更高挑战。

有没有方法既能使用宽脉宽又可以实现高分辨率呢？

答案是肯定的，目前高分辨率雷达通常采用脉冲压缩技术，可以在采用宽脉宽的同时，实现更高的距离分辨率。今天就跟大家聊一聊脉冲压缩技术，以及矢量信号源在这种雷达测试中的应用。

脉冲压缩技术简述

所谓脉冲压缩，可以理解为在接收机侧通过匹配滤波器或者互相关算法实现对回波信号脉宽的压缩，从而提高距离分辨率。或者简单地认为，只要脉内采用了频率调制或者相位调制，都可以认为使用了脉冲压缩技术。目前比较常见的两种调制方式分别为线性调频（Chirp or LFP pulse）和相位编码（Barker Pulse），如图1所示。

图1. 典型Chirp和Barker Pulse

脉冲压缩技术并不是通过降低脉宽提高距离分辨率，而可以在脉宽不变的情况下，通过引入脉内调制，同时保证雷达探测距离和高分辨率。

雷达接收机通常采用匹配滤波器，以实现信噪比SNR的最大化。如果脉内采用了频率或相位调制，经过匹配滤波器后，SNR被改善的同时，脉宽也会被大幅度压缩。在这个过程中，有两个非常重要的参数：脉冲压缩比和时域边带抑制度。前者为原脉冲宽度与压缩后脉冲宽度的比值，衡量了距离分辨率被改善的程度；后者为回波信号经过匹配滤波器后，时域冲激响应的最高边带与主带信号幅度的比值，决定了雷达对低散色截面目标的探测能力。下面将从这两个参数着手，分别对Chirp Pulse和Barker Pulse进行简要介绍。

(1) Chirp Pulse

线性调频脉冲是指脉冲内部采用线性频率调制，载波频率可以线性增大（ramp up）、线性减小（ramp down）或者先线性增大再线性减小（ramp up and down or down and up），诸如此类的频率线性变化，都属于线性调频的范畴。关于接收机侧是如何通过匹配滤波器实现脉冲压缩的，可以查阅相关书籍，此处更多是关注脉冲压缩比和时域边带抑制。

假设线性调频脉冲的脉宽为τ，带宽为B，其脉冲压缩比是多少呢？

接收机侧会使用一个匹配滤波器处理雷达回波信号，其输出的时域波形近似为Sa(x)函数，有主瓣，亦有丰富的边带，如图2所示。或者可以这里理解，线性调频脉冲的频谱类似于一个带通滤波器的幅频响应曲线，经过匹配滤波器后，其频谱形状变化不大，可以将其想象成频域的“脉冲”，经过IFFT后得到的时域波形则类似于Sa(x)函数曲线，这就是压缩后的时域波形，压缩后的脉宽可以近似为1/B (在3dB脉宽和6dB脉宽之间)。

信号原脉宽为τ，压缩后的脉宽近似为1/B，则脉冲压缩比近似为：τ•B，这也是通常所讲的时宽带宽乘积，是线性调频脉冲的一个非常重要的参数。

图2. 线性调频脉冲的典型时域冲激响应

压缩后的脉冲近似Sa(x)函数，所以第一边带相对于主瓣的电平理论值为：-13.3dB。此时的时域边带抑制还不够高，较强的时域边带可能会造成目标误判，同时也可能将目标回波信号淹没在边带中而探测不到目标。为了进一步降低时域边带，在数据处理过程中可以考虑引入时间窗，但时间窗的引入会导致主瓣宽度的增大，需要折中考虑。

(1) Barker Pulse

Barker pulse实际上是在脉内采用了BPSK调制，只是调制源为Barker码。Barker码序列是一组特殊的二进制比特，目前发现的Barker长度包括2、3、4、5、7、11和13位。当二进制比特由0变为1，或者由1变为0，载波相位将发生180°变化，如图1右所示，给出的就是Barker5 (11101)对应的波形示意图。

图3. Barker 13脉冲压缩后的时域波形

Barker pulse经过匹配滤波器压缩后的时域波形如图3所示，时域边带幅度相同，为主瓣脉冲幅度的1/N，N为Barker码的长度。比如Barker 13，时域边带抑制为：20lg(1/13)≈-22dB。

压缩后的脉宽为τ/N，相当于将原脉宽平均分成了N个子脉冲，因此对应的脉冲压缩比为N。而且，由图3可以观测到，脉冲压缩后，不仅脉宽变小了，SNR也改善了，改善了雷达对微弱回波信号的处理能力。

为什么需要矢量信号源？

脉冲压缩比和时域边带抑制不仅与所使用的脉内调制方式、参数和接收机侧匹配滤波器性能、数据处理方法有关，还会受到发射机链路诸如功率放大器等部件以及级间阻抗匹配的影响。在发射机开发阶段，通常会使用矢量源信号源产生标准的脉冲信号，脉内采用线性调频或者Barker码调相，以验证射频前端部件对脉冲参数造成的影响。

类似地，对于雷达接收机链路的验证以及信号处理算法的验证，也需要矢量信号源提供标准的脉冲信号。

由此可见，在雷达收发机开发过程中是需要信号源提供标准脉冲信号的，而像脉内调频或调相的脉冲，采用模拟信号源是很难实现的，矢量信号源才是最佳选择，尤其是高带宽脉冲的产生。这就是为什么在雷达测试中需要使用矢量信号源的原因。

图4. 矢量信号源用于雷达收发机测试

如何使用KSW VSG02矢量信号源产生射频脉冲信号？

图5. KSW-VSG02矢量信号源

KSW-VSG02具有多个频率型号，频率最高可达44GHz，可配置单个或两个射频通道，最高功率高达+21dBm，2GHz调制带宽，优异的相噪指标（< -146dBc@F = 1GHz，20KHz SSB；（低相噪选件）），助力产生理想的宽带脉冲信号。

在雷达信号产生方面，提供了信号波形产生软件，支持脉冲轮廓编辑、脉内调制、脉冲参数捷变以及天线模拟等功能，以便更好地满足用户丰富多样的测试需求。

(1)脉冲轮廓：支持矩形、梯形、升余弦、锯齿等脉冲轮廓，用户还可以根据实际需要进行自定义。

(2)脉内调制：支持线性调频、步进频、Barker码、Frank码、PSK、QAM等一系列常用的调制方式，并且支持自定义调制方式。

(3)参数捷变：支持脉冲之间幅度、频率、相位、脉宽、脉重频等多种参数的捷变，其中载波频率和脉重频还支持随机跳变。

(4)天线模拟：在评估天线带来的影响时，可以使用雷达信号生成软件直接生成各式各样天线偶极子、平面阵及抛物面天线等）及天线不同扫描方式（圆周扫描、扇形扫描、光栅扫描等）对应的波形，即使没有天线实物，依然可以模拟天线存在时给系统带来的影响。

(5)支持脉冲描述字（PDW）以及脉冲描述字的实时传输，并与其它主流信号源的PDW兼容。

图6.雷达信号产生软件

总结

矢量信号源已然成为雷达系统测试中不可或缺的标准测试设备，频率高、带宽大、相噪低，逐渐成为现代雷达测试对矢量信号源提出的最新要求。本文以高分辨率雷达常用的脉冲压缩技术为切入点，对其作了简要介绍，并解释了雷达系统测试中使用矢量信号源的必要性。最后介绍了雷达波形生成软件，能够方便地生成丰富的脉冲波形，满足多样的测试需求。

关键词:矢量信号源 雷达测试 雷达收发机测试

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来 源：EDN电子技术设计公众号

编辑：清风

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