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測試與測量  

以超高速訊號產生器建立多發射器情境

上網時間: 2016年02月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:DDS  PDW  訊號產生器  雷達  發射器 

作者:Walter Schulte/Keysight Technologies

有效且有生產力的電子戰(EW)系統工程必須能夠產生各測試訊號,以便準確且持續重現EW環境,尤其對多發射器環境的模擬,更是讓測試趨近真實的重要因素。

目前,業界普遍使用龐大且複雜的客製系統來模擬這類多發射器環境。這些系統主要用於系統測試與驗證,但它們並非EW設計工程師需要的研發測試設備。

有一款新型的「超高速訊號產生器」可在單一儀器內提供高度整合的解決方案。雖然這些儀器無法完全符合專用系統的完整功能,但其靈活性與產能,可全面滿足研發初期的多發射器模擬需求。

超高速訊號產生器以直接數位合成(DDS)技術為基礎,因此可隨時與所有頻率保持相位同調性(phase-coherent)。再者,這些儀器具有直接播放脈衝描述字組(PDW)的能力,並可藉由共用6GHz DDS射頻參考頻率及各種標記,在主從架構下同步模擬「到達角度」(angle of arrival,AoA)。利用這些功能,超高速訊號產生器可提供極度準確的模擬。

準確模擬多發射器環境

現代頻譜環境中包含數以百計的雷達威脅,每秒可產生數百萬個雷達脈衝。圖1顯示充斥著大量雷達發射器之頻譜環境示意圖。


圖1:此示意圖呈現典型操作環境中,威脅密度與頻段的對應曲線,全射頻/微波環境中也包括當今迅速增加的商業無線訊號

模擬這樣的環境是一大挑戰,尤其是在設計階段。進行EW設計時,由於環境中的訊號密度與頻率範圍不足,我們很難使用單一或是少量的傳統訊號源(例如採比例-N合成的訊號),來模擬多發射器,因為這些訊號無法迅速改變設定值。

如欲提高密度,必須能夠用單一訊號源模擬多個發射器。若須產生更高訊號密度或模擬AoA,其解決方法為使用並同步多個訊號源,每個訊號源分別模擬多個發射器。

模擬多種頻率下多個發射器的能力主要根據幾項關鍵特性:脈衝重複頻率(PRF)與訊號週期、發射器數量,以及訊號源迅速一致地切換頻率、振幅與調變設定的能力。模擬多發射器時,脈衝相撞是導致我們無法使用單一訊號產生器進行模擬的主要原因。而且增加發射器數量以及使用較高PRF,脈衝相撞的百分比也會隨之提高。

訊號源模擬多發射器的能力,取決於訊號源靈敏性。比方說:頻率或振幅改變後的趨穩時間,取兩者中較大者,決定著播放各個PDW之間的過渡時間。單一訊號源的總脈衝密度上述的過渡時間與發射脈衝的(時間)寬度(參見圖2)息息相關。因此這個「鎖定週期」,或者說訊號源的趨穩時間,應越短越好。


圖2:在鎖定週期內,訊號源將無法模擬不同的威脅,因為在切換訊號時,就無法播放脈衝;若正在播放脈衝,就無法切換訊號

為了模擬高脈衝密度,並考慮到有些脈衝會彼此重疊,您可能需結合使用多個訊號源。藉由在測試配置中加入更多訊號源,您可輕易地提高脈衝密度,直到達成所需的實際效能與可負擔成本的平衡點。為此,您必須精確同步所連接的所有訊號源。

使用高度整合的訊號產生器

過去,我們需使用不同的元件來分別提供不同的模擬功能:訊號產生、調變、脈衝產生、衰減、放大以及相移等。您可將相同的PDW傳送至各個模擬功能元件,以便逐一輸出各個脈衝。

如果採用這種方式,時間同步將對配置與操作帶來極大的挑戰,因為您須充分評估各式各樣的趨穩時間與延遲,以便將鎖定時間降至最低,並且將脈衝密度最佳化。

您可擴充這些系統以便建立多個協調通道。然而,這樣需要加裝數量驚人的設備,導致佔地面積和資金支出暴增。另一種可行的替代方案是,建構基於DDS的高度整合靈敏訊號產生器。


圖3:Keysight UXG超高速訊號產生器為功能強大的系統元件,可當作可靠的本地振盪器,或是易於擴充的威脅模擬器

獲得絕對優勢

Keysight UXG超高速訊號產生器(參見圖3)便是基於DDS技術。此替代方案有四大優點:首先,可在單一時脈週期內以數位式控制頻率與相位的微調;其次,可提供快速的躍頻,以及模擬不同頻率下之杜卜勒雷達脈衝所需的相位連續性與相位重複性,同時還可維持原始的相位關係。第三,可透過建立頻域調變,確保數值精確度與可重複性。第四,可藉由分享主從配置的DAC參考頻率,簡化多部儀器的同步。

對於EW工程師而言,此替代方案另外還有兩個優點,例如:使用數位調變器進行振幅、頻率及相位調變的DDS,可透過數值控制振盪器產生數位調變訊號。此外,工程師可使用數值控制振盪器直接合成LFM chirp及Barker程式碼。

結合創新的子系統

是德科技最新的創新技術提供適用於EW應用的DAC(同時也是DDS)解決方案。該DAC是為RF應用而設計,具備高位元深度與優異的純淨度,包括絕佳的相位雜訊效能與-70 dBc的無突波動態範圍(SFDR)。

是德科技的DAC具備高取樣率,可支援寬頻DDS,如此可減少合成微波頻率所需的倍頻級數。使用較少的倍頻級數,可限制微波輸出訊號中出現的相位雜訊與突波訊號的數量。

圖4為基於真實DDS的超高速微波訊號產生器架構圖,該設計使用是德科技創新的DAC和FET切換技術。


圖4:此高階方塊圖顯示可涵蓋10MHz至40GHz頻率範圍的超高速訊號產生器之內部運作情形

DDS是產生訊號的源頭。經過最佳化的DDS具有超低的突波;因為每增加一個倍頻級數,突波也會隨之增加。此外還需使用一連串的倍頻電路來產生高達40 GHz的訊號。每個倍頻級數均使用帶通濾波器(bandpass filter)來移除倍頻器所產生的擾人訊號。DDS另亦提供脈衝調變功能。

FET切換器可提供靈敏的衰減,可用來控制輸出位準。這些衰減器提供與頻率切換速度匹配的快速趨穩時間,使得訊號源能夠精準地控制開路式(open-loop)功率,而不會浪費切換時間。脈衝調變器亦使用FET切換器。

超高速訊號產生器的這些卓越特性,可滿足重要的功能與效能需求:多發射器之間的快速轉態、能與現代EW接收器匹配的高動態範圍、可模擬多種威脅的精準功率位準和快速的振幅和頻率切換,以及使用Barker程式碼或LFM的脈衝間調變。

執行準確的AoA模擬

建立具指定傳真度與密度的發射器極為重要,而可因應真實EW情境的幾何學與動力學也絕不容忽視,例如:模擬入射脈衝在EW接收器上的到達角(AoA)就非常重要。

EW系統可利用振幅比較、差動式Doppler、干涉(即相位差異)以及到達時間差異(time difference of arrival,TDoA)等,來量測AoA並估算距離。精準的AoA量測有助於精準定位各種威脅,讓EW系統能迅速正確地將多個發射器排序。

這項特性相當重要,因為最新的遠距離支援干擾系統使用主動式電子掃描陣列(AESA)技術,執行精準的波束成形,以避免因為波束向威脅伸展導致干擾功率產生損耗。另一方面,具備出色AoA能力的EW接收器,可更快且更輕易地執行交錯與排序。於是,AoA測試越來越受到重視。

在過去,我們需結合使用各種訊號源、類比相移器,以及連接到待測系統(SUT)纜線路徑上的衰減器和增益器,來建立AoA。這些類比元件很佔空間、解析度有限,而且很昂貴。

替代方案是,將多個靈敏訊號產生器同步,以產生相位一致、時間同步的輸出訊號,如此便可精確微調控制針對待測系統所產生的相位、振幅,以及時間波前(time wavefront)。

結語

在開發階段初期執行逼真的EW環境模擬,有助於改善系統性能、加速推進設計流程,並減少整體成本。藉由使用高度整合的超高速訊號產生器,工程師還可在重新設定現有的EW系統時,大幅提升測試真實性。在部署EW系統之前先廣泛測試系統特性,可確保系統在作戰區內提供預期的功能。





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