构建相位和时序精确的多通道脉冲描述字（PDW）雷达信号产生方案

技术背景
近年来，随着雷达技术的快速发展，以低截获概率(Low Probability Interception, LPI)雷达为代表的各种新体制雷达在战场上得到了广泛的应用。战场电磁环境变得日益复杂、信号类型变化多样，如何通过单机实现超宽频段覆盖？ 如何克服内存大小对场景模拟时间的限制？ 如何快速构建复杂雷达信号环境？如何快速构建完成雷达信号中五大常规参数：载频(Carrier Frequency, CF)、脉冲宽度(Pulse Width, PW)、脉冲幅度(Pulse Amplitude, PA)、到达时间(Time of Arrival, TOA)和到达角(Direction of Arrival, DOA)组成的脉冲描述字(Pulse Description Word, PDW)？AnaPico 的APVSG-X系列多通道相参矢量信号发生器为您提供了解决方案！

PDW信号生成的挑战
过去用于雷达PDW信号生成和测试的信号源的频率范围覆盖0.5-18GHz, 近年来，频率范围的需求已经扩展为100kHz-40GHz, 这样在一个输出通道中就可以模拟各种不同频段的雷达信号。
除了要求很宽的频率范围，电子战系统测试用的信号源必须具有很快的频率和幅度切换速度，这样才能模拟工作于不同频段，不同模式的各种类型的雷达。
雷达测试对信号产生的需求总结如下：

• 每秒可产生数以千万计的脉冲;
• 非常大幅度捷变的范围；
• 长时间场景的模拟；
• 自适应模拟：根据待测电子战系统；
• 支持脉冲描述字（PDW）以及脉冲描述字的实时传输；
• 支持常见的线性调频和巴克码调制，调制带宽足够宽；
• 谐波，镜像，杂散足够小；
• 时间分辨率对产生精确的脉宽，脉冲重复频率，到达时差非常重要，需要足够小的时间分辨率；
• 切换速度：频率捷变，幅度捷变，使用最少的信号源产生最大的脉冲密度;
• 模拟到达角(DOA): 需要支持多源同步；

AnaPico公司APVSG-X系列多通道相参矢量信号发生器

两年前，AnaPico推出了单通道和多通道型号的APVSG系列矢量信号发生器（VSG）。这些产品的主要特点是：

• 可输出100kHz~40GHz的宽带性能和500MSa/s的数据处理能力，支持400MHz瞬时信号带宽；
• 512MSa内部存储器，每个样本32位，支持顺序和波形段ID选择性回放；
• 快速频率和幅度切换小于100ns（带内）和1μs（全频带）；
• 支持相位相干和相位相干切换以及相位记忆功能；
• 快速控制端口（FCP），用于快速调制参数设置和高达250MSa/s的数字 IQ 数据流；
• 2U标准机箱支持4路独立可控但具有相参关系的信号通道输出；

上述功能组合能够灵活地生成相位和时序精确的多通道相参雷达信号。AnaPico还开发了用户友好且具有成本效益的软件，以支持AnaPico多通道APVSG上的雷达信号生成。

图1：AnaPico单通道（左）和多通道相参（右）矢量信号发生器

脉冲描述字（PDW）
测试雷达的工程师需要能够生成多个脉冲流，每个脉冲支持数十个参数，如频率、幅度、相位、脉冲宽度、时间位置和脉冲内调制或啁啾。表 1 总结了描述单个雷达脉冲的典型参数集，称为脉冲描述字（PDW）。PDW描述了一部接收机看到的每个脉冲所携带信息的重要特征。PDW列表将完整描述雷达脉冲流。
在多发射机的环境，你可以通过去脉冲去交织技术来分离来自不同发射机的脉冲串。换句话说，可以根据不同的参数和脉冲间的一致性把脉冲描述字分组，对于重叠的脉冲基于用户定义的优先级来处理（例如，发生重叠时处理最强的信号）
多面雷达天线阵列需要额外的参数来进行多方面面表征。对于这些阵列，解决相对相位稳定性的通道间相位相干性变得很重要。相位相干切换（通道之间的相对相位存储在存储器中）和通道间时序精度也是关键参数。

PDW信号生成模式
AnaPico的APVSG矢量信号发生器支持两种不同的模式来生成PDW。这些模式通过VSG内的电路实现。图 2 显示了两种PDW相关操作模式的框图。

图2：PDW列表播放的操作模式

模式1：PDW序列回放
在这种模式下，可以通过以太网或USB通信端口将预编译为数据格式的PDW列表上传到APVSG内部存储器中。在回放过程中，每个PDW按顺序实时转换为相应的调制参数。这将产生调制雷达信号流，并且可以使用多通道APVSG回放精确时序的PDW序列甚至是PDW嵌套序列。

图3：PDW序列和嵌套序列回放

模式2：流式传输模式 PDW（实时数据）
在此模式下，各个PDW通过APVSG FCP高速数据接口按顺序实时馈入APVSG内部存储器，以便立即回放，如模式1中所述。

图4：APVSG中FCP功能图及PDW流式传输的示意图

APVSG主要功能和性能
为了生成近似于真实序列的雷达脉冲序列，许多特征和方面都很重要。快速切换是一个关键参数。VSG 必须支持从小于1微秒到几微秒的脉冲宽度。频率啁啾速率受400MHz调制带宽的限制。在1μs脉冲宽度下，可以产生接近400MHz/μs的线性调频速率，并具有出色的信号质量。
相位相干性是另一个重要功能。对于多通道VSG来说，要实现正确的雷达波束角规格，相位相干性成为最相关的特征。多通道的APVSG在运行数小时内的相位差变化在产生5GHz输出信号的两个通道之间只为0.3° RMS。
通道之间的确定性相位差对于在雷达运行期间维持角度信息至关重要。对于给定的频率和功率设置，通道之间的相位差不会改变，即使电源电源打开和关闭也是如此。这称为相位相干切换，如图 5 所示。红色正弦信号是参考通道。蓝色信号切换到不同的频率并且存在相位偏移，但是当两个信号返回到相同的频率设置时，蓝色信号与红色信号保持相同的相对相位。
多通道APVSG在整个工作频率范围内支持精度高达+/-1ps RMS的精细延迟。这允许以精确的时序生成多个雷达信号流。VSG中的功能称为时序精确的多通道触发。独特的延迟机制可实现这种精细的触发延迟调整。有效分辨率是采样时间的一小部分，通常小于1/2000。这相当于不到1ps，硬件采样时间为2ns。图 6 显示了精细延迟设置功能。

图5：APVSG相位相干切换示意图

图6：APVSG在相同的啁啾信号上设置延迟

结论

AnaPico公司的APVSG多通道相参矢量信号发生器具有快速捷变、相位相干、相位相干切换和时序精确操作等特点。这些VSG允许用户在雷达和电子战应用场景中轻松生成通用和真实的脉冲信号。PDW的多个列表可以从内部存储器或通过快速控制端口实时流盘播放。
AnaPico的APVSG矢量信号发生器主要指标如下：