活用時域/頻域儀器　雷達脈衝量測事半功倍

此類設備必須能產生和分析極其複雜的脈衝(Pulse)碼型，並允許設計人員使用先進的掃描方法來驗證具有先進掃描方法的設計；此類工具應可處理複雜雷達基頻段、中頻(IF)和射頻訊號，並可識別多系統的干擾。 

其中將面臨的關鍵挑戰，就是在雷達系統分析方面並沒有一個萬能的解決方案。在某種程度上，這是因為在分析雷達系統特性時同時需要時域(Time Domain)資訊和頻域(Frequency Domain)資訊。脈衝分析非常適合於時域儀器，如示波器(Oscilloscope)。然而，重複脈衝的分析需要專門的軟體，才能分析脈衝特性在許多脈衝上的變化。 

脈衝調變的分析和解碼非常適用於頻域儀器，如頻譜分析儀(Spectrum Analyzer, SA)。目前，雷達系統的模擬程序須針對接收的訊號進行廣泛的數位訊號處理(DSP)，以用於脈衝壓縮和都卜勒(Doppler)處理。有些處理在時域中能最有效地完成，有些則適合在頻域中完成。 

根據儀器的基本優勢，適用於量測雷達脈衝的最佳設備選擇通常取決於脈衝的性質，以及是否符合可用類型的測試設備的能力。因此，需要量測的參數和結果的預期數值範圍，將在測試設備選擇中扮演著重要的角色，接著就來深入探討。 

量測雷達脈衝　注意三事項 

脈衝射頻載波頻率是基本的注意事項。如果可用的設備未涵蓋所涉及的頻率，則除了基本測試儀外還需要一個變頻裝置。不過，此類轉換器可能會引入相位和平坦度減損或其他失真問題。量測系統必須包含這些問題的校正功能。 

接下來，要考慮脈衝頻寬。現代雷達使用了更寬的頻寬脈衝，例如更快的上升時間和更廣泛的調變頻寬。僅在一次就擷取整個頻寬的情況下，才能適當地執行許多量測。 

第三個注意事項則是調變。量測需要哪些不同的調變，以及哪些是至關重要的調變屬性？有些類型的動態頻移脈衝僅要求載波頻率在指定範圍內掃描，但其他類型則要求載波掃描符合線性規範。這些脈衝參數影響了測試設備上的線性和動態範圍要求，以及儀器量測頻寬的相位和頻率平坦度。 

在存在高功率訊號的情況下執行小訊號的量測，或在長時間間隔下的高準確度相位量測，可能需要高動態範圍或高數位化位元深度。 

另一個因素是調變機制的複雜性，有些更複雜的調變機制可能必須內建專門的解調變程序。 

圖1 示波器的快速擷取模式可以顯示單一過窄的脈衝

快速擷取實際應用　尋找時域暫態誤差 

示波器是檢查不同電壓與時間之間關係的基本工具，非常適合顯示基頻段脈衝的形狀。示波器效能參數的起源可追溯到早期雷達脈衝的特性。今天的即時示波器具有高達70GHz的頻寬，旨在擷取及顯示重複或單次的訊號。 

圖2 探索脈衝串中的單一暫態突波

傳統的示波器在顯示基頻段脈衝上有不錯的表現。使用快速擷取模式，也可以在高效能示波器上準確地看到具有轉換時間極快或持續時間極短(亞奈秒或更短)的脈衝。該模式可減少波形擷取之間的死區時間，從而可擷取和顯示暫態事件，如突波或矮波脈衝。快速擷取模式也可以以反映其發生速率的強度來顯示波形現象。 

快速擷取的實際應用是尋找基頻段脈衝時域暫態誤差。圖1顯示一個單一的脈衝，其脈衝寬度比甚至數十萬個正確脈衝更窄。在示波器上，訊號持久性溫度刻度上的藍色是指最不常發生的部分，而紅色區域則是每次都相同的訊號部分。在圖2中，仔細檢查時可以查看到脈衝串中的單一暫態突波。 

示波器最高度開發的功能之一即是觸發，示波器觸發器的最新進展是能夠根據一或多個通道中的電壓和電壓變化來觸發擷取或量測。 

其複雜性從簡單的邊緣或電壓位準觸發，到所有可用輸入通道的組合，進行複雜的邏輯和時序比較。示波器可提供在「矮波」或「突波」訊號上觸發碼型識別(並列和串列)的功能，甚至亦可根據商業數位通訊標準進行觸發。 

適用於雷達疑難排解和除錯的實用工具可指定兩個離散觸發事件作為擷取條件，這即稱為觸發序列。主要或「A」觸發會回應一組限定條件，這些限定範圍可以從簡單的邊緣轉換到多個輸入上的複雜邏輯組合。然後可指定邊緣驅動的「B」觸發在延遲(以時間或事件表達)之後發生。 

B觸發不限於邊緣觸發。相反地，示波器允許B觸發在其延遲時間之後尋找從與A觸發中使用的觸發類型相同的廣泛清單中選擇的條件。設計人員現在可以使用B觸發來尋找可疑的暫態，例如在A觸發定義了操作週期的開始之後發生數百奈秒(ns)的事件。 

因為B觸發提供完整的觸發選擇，例如工程師可指定所要尋找的暫態脈衝寬度。序列亦可包括在A觸發事件之後發生的個別水平延遲，以便及時定位擷取視窗。 

重設觸發功能可用於提升B觸發效率。如果B事件無法發生，示波器會在指定的時間或週期數之後重設觸發，而不是無休止地運作。此時，示波器會重新安裝A觸發來尋找新的A事件，因此已使用的事件不須要監視及手動重設儀器。 

高效能示波器的觸發系統可以偵測小於200ps寬的暫態突波。可使用如脈衝寬度觸發的進階觸發類型來擷取和檢查在一系列脈衝中的特定射頻脈衝(時間或振幅變化)。觸發抖動是實現可重複量測的關鍵因素，在理想狀態下小於1psrms。 

對於基頻段脈衝，最感興趣的事件則是根據邊緣、位準、脈衝寬度和轉換時間的觸發。如果須要根據與不同頻率有關的事件進行觸發，則須使用頻譜分析儀。 

基頻脈衝時序量測　選擇上升/下降時間

脈衝的傳統量測，以往是在示波器的顯示畫面上進行目視檢查。此檢查是以檢視基頻段脈衝的形狀來判定結果；可使用此方法的量測為時間和電壓振幅。因為之前的脈衝一般都很簡單，所以這些量測在當時即已足夠。 

但隨著設備和雷達系統變得越來越複雜，在螢幕上找到所要位置的過程，已成為在脈衝各部分直接量測時間和電壓的量測內容之一。現在的示波器均可提供全自動的基頻段脈衝時序量測。單鍵選擇上升時間、下降時間、脈衝寬度和其他功能已是常見的設計。然而，其中的大多數量測並未著重於調變雷達訊號的量測封包。 

當用於脈衝調變的載波時，這些量測的效用將會受到限制，因為其會呈現為訊號的載波，而不是偵測到的脈衝。這導致在單個載波週期上進行的脈衝寬度量測，以及載波的上升時間，而不是調變的脈衝。可以在示波器的輸入端使用偵測器來移除載波，並克服這一點。 

頻譜分析儀量測　 顯示射頻載波頻譜

傳統的掃頻分析儀是一種簡單的射頻偵測器，可有效地掃描所選擇的射頻頻率範圍，同時還可進一步產生所選頻率範圍內所有訊號的組合射頻頻譜的顯示畫面。手動觀察頻譜顯示畫面中的線條，並以螢幕上的標記讀數輔助，可進行載波頻率、脈衝寬度和脈衝持續時間等量測。載波位於脈衝頻譜的中心(圖3)，而載波會以字母「A」標示。 

圖3 脈衝寬度和重複率的頻譜圖量測

頻譜分析儀特別適用於顯示脈衝調變射頻載波的頻譜。這通常已針對所需的高動態範圍進行最佳化處理，以在存在極大訊號的期間查看極小的訊號。快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform)或FFT式向量訊號分析儀(VSA)會使用內部數位轉換器以固定頻率取樣擷取頻寬，可能具有高達75~85dB的無雜散動態範圍(SFDR)。 

由於頻率和時間之間的反比關係，因此可使用頻譜分析儀頻域顯示來確定基本的脈衝時序參數。脈衝重複時間(脈衝週期)是較大頻譜封包內精細間隔線之間的頻率間隔的倒數，脈衝寬度則是頻譜封包中空值之間的頻率間隔的倒數。 

若使用掃頻分析儀，掃描時間和脈衝速率之間可能會出現混疊。分析儀僅在脈衝接通的確切時間提供垂直偏斜，而在脈衝關閉時間內並不會產生偏斜。這可能看起來是脈衝重複頻率(PRF)線條，但是當分析儀的掃描速率變化時，呈現的頻率間隔將會隨之改變。須要手動變更掃描時間，以確定所看到的線條是脈衝重複頻率或是掃描時間混疊。FFT式向量訊號分析儀並不會顯示此混疊。 

掃頻分析儀亦具有零跨距模式，操作人員可選擇射頻頻率，且儀器會以此頻率停止，而不須掃描其頻率轉換器。偵測器現在正在回應分析儀的中頻頻寬(另稱為解析度頻寬RBW)中的所有訊號。在儀器顯示幕上顯示相對於時間的脈衝。結果是像示波器一樣顯示射頻功率與時間，但具有增加的頻譜分析儀動態範圍。 

在零跨距模式下，可偵測到射頻脈衝並顯示為基頻段脈衝。零跨距模式的上升時間能力將取決於受分析儀中頻系統內最廣泛的解析度濾波器。不論是在向量訊號分析儀或即時頻譜分析儀(RSA)(一次擷取即可數位化並儲存寬頻段)中，均可顯示訊號振幅與時間的關係。這可以與完整擷取頻寬所允許的一樣快的速度來顯示脈衝上升時間，且頻譜顯示器沒有線條。若上升時間較此頻寬所支援的速度更快，建議使用示波器以準確地量測脈衝的上升時間。 

額外頻譜量測　記錄時間/頻率/相位參數 

在頻譜顯示器上可以使用標記手動進行射頻頻譜量測，但是在大多數儀器中通常會以自動程序方式進行，因為如果手動完成這些步驟，對使用者而言可能是相當乏味的過程。通用自動量測可以包括占用頻寬(OBW)、互補累積分布函數(CCDF)，以及相鄰通道功率比(ACPR)，也稱為頻譜再生。 

圖4 一個頻段內出現多種動態頻移訊號

占用頻寬是與脈衝雷達最相關的條件。大多數的雷達必須滿足指定的頻寬，以避免干擾在附近頻率上運作的射頻系統。此量測會檢查訊號的射頻頻譜，並定位出最高的振幅值。然後，在整個頻譜之間執行功率整合，以找出由總功率之指定百分比占用的頻寬。 

即時頻譜分析儀具有類似於掃頻分析儀的射頻轉換部分。數位化取樣會由硬體數位訊號處理直接處理，並可同時儲存在記憶體或硬碟上。此硬體處理器會將離散時間轉換為射頻頻譜資訊，且進一步在所選擇的頻率事件上提供即時觸發，或提供數位螢光光譜顯示畫面，以探索射頻暫態訊號並顯示同頻分時射頻訊號。例如，圖4顯示了具有頻率重疊的第二個較低功率動態頻移(Chirp)的動態頻移訊號，以及若干個單頻脈衝載波和兩個連續波(CW)干擾源。 

更高階的頻譜分析儀可提供自動脈衝量測，並可增加訊號細節和量測重複性。若使用這類工具，即時頻譜分析儀可儲存數位擷取結果，且在結果內找到脈衝，並量測每個脈衝的完整參數。不僅會量測時間、頻率和相位參數，並可進一步處理結果以顯示趨勢。 

開發先進雷達　更需要先進工具 

現今的雷達系統使用了許多類型的雷達，進而產生各式各樣的結果，因此需要一系列測試設備進行進階的分析和疑難排解。為了能推出成功的產品，設計人員須採用功能強大的工具來驗證具有先進掃描方法的設計；此類工具應可處理複雜雷達基頻段、中頻和射頻訊號，並可識別多系統的干擾。另外，若要完整分析調變脈衝雷達的特性，則必須在時域和頻域中執行相關分析，此程序必須同時使用時域儀器(如高效能示波器)和頻域儀器(如即時頻譜分析儀)。 

(本文作者為太克技術行銷經理)