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Pruebas en Radares. Consideraciones importantes para reducir la incertidumbre en la medida de pulso (radar) usando analizadores de espectro modernos

El uso de un analizador de espectro para medidas en pulsos requiere un buen conocimiento y entendimiento de los parámetros de la señal pulsada, así como del funcionamiento del analizador de espectro para realizar medidas válidas y correctas.  Uno de los principales objetivos de las técnicas de medidas pulsadas ha sido la medida precisa de señales radar. Los avances en el tipo de pulso y la información del tren de pulso pueden mejorar el uso del radar; sin embargo estos avances incrementarán la complejidad de las medidas. En analizadores de espectro modernos se han introducido medidas de pulso automáticas para simplificar enormemente el reto de estas nuevas medidas. Este artículo muestra medidas de pulso usando un analizador de espectro típico con una arquitectura de barrido tradicional, trata alguna de las ventajas en formas de onda radar, y repasa algunas consideraciones importantes para reducir la incertidumbre de la medida en estas señales pulsadas en arquitecturas de analizadores de espectro más modernas.

 

Medidas básicas de pulso 

 

La principal ventaja de usar un analizador de espectro es que se puede usar para analizar componentes de potencia que dependen de la frecuencia con un amplio rango dinámico. Medidas simples, como analizar la simetría del espectro del pulso, pueden validar el transmisor de radar. Un espectro asimétrico puede perder potencia, generar emisiones espúreas no deseadas, y degradar el funcionamiento global del radar.

Cuando se realizan medidas usando un analizador de espectro, particularmente en señales con ciclos de trabajo cortos, uno necesita estar familiarizado con los parámetros del pulso esperado y las configuraciones importantes del analizador de espectro como el filtro de resolución (RBW). Span, y el tiempo de barrido para presentar los resultados.

La Figura 1 muestra la arquitectura de barrido tradicional de un analizador de espectro. Una señal se filtra y se convierte a frecuencia intermedia IF, donde se aplican a la señal varios filtros de resolución y vídeo mientras que el oscilador local barre un span de frecuencias. La frecuencia y energía resultante se muestran en pantalla. 

Debido a que una señal pulsada no está presente de forma constante, la energía no “llenará” completamente el espectro en un único barrido. La figura 2 muestra las características del espectro de una señal pulsada de RF con un ancho de pulso T y un intervalo de repetición de pulso t.  La amplitud de las líneas espectrales se determina por la curva de envolvente sobre la frecuencia central f0.    

Cuando se mide el espectro usando un analizador de espectro, es posible mostrar las líneas espectrales individuales o la curva de envolvente dependiendo de las configuraciones del instrumento de medida. El ancho de banda de resolución (RBW) se debería ajustar a un valor considerablemente menor que la frecuencia de repetición del pulso (= 1/T).  El espaciado de la línea es igual al período del pulso (intervalo de repetición de pulso) y es independiente de la configuración del tiempo de barrido en el analizador. La altura de las líneas espectrales también es independiente del RBW. La línea espectral más alta mostrada en el espectro es más baja que la amplitud del pulso actual debido al factor “pulse desensitization” (PDF).  El PDF depende de la relación del ancho de pulso entre el período:

 

PDF = 20 * log(t/T)

 

Usando el espectro, la potencia de la señal pulsada se puede calcular situando un marcador en la línea espectral más alta (como se muestra en la Figura 3):

 

Potencia Pico = lectura marcador – PDF = lectura marcador – 20*log(t/T)

 

Cuando se usa el método de detección de pico máximo, si el RBW del analizador se incrementa de tal forma que es mayor que el recíproco del período del pulso (pero menor que el recíproco de la anchura del pulso), el analizador de espectro mostrará la envolvente del espectro. La amplitud de la envolvente incrementa linealmente con el RBW, por lo que al doblar el RBW se produce un incremento de 6dB en la amplitud.

Al continuar incrementando el RBW hasta un valor mayor que el recíproco del ancho de pulso, el analizador de espectro puede aproximar la potencia de pico de la señal pulsada dentro de las limitaciones del ancho de banda de resolución del analizador de espectro tradicional.

Para demostrar esta limitación, la Figura 4 muestra la captura en span cero de tres anchos de pulso diferentes usando un filtro de resolución RBW de 10MHz. Mientras se representan de forma precisa anchos de pulso de unas duraciones de 500 y 200 ns, cuando el ancho de pulso de la señal disminuye a 100 ns, la amplitud de pico se llega a reducir debido al ancho de banda del filtro de resolución. Como el ancho de pulso es más corto, las limitaciones del analizador de espectro tradicional tienen efecto en la incertidumbre de medida.

 

Incremento de la complejidad del Radar

 

Muchos tipos de radar modernos tienen ventajas más allá de las funciones tradicionales de detección de rango para mejorar la resolución, mitigar las limitaciones de funcionamiento, y mejorar funciones. El impacto de estos tipos de radares modernos incrementan los requerimientos de complejidad y funcionamiento del analizador de espectro tradicional.  El radar de pulsos Doppler proporciona información de velocidad radial sobre el objetivo además del rango y dirección. Usando un transmisor y receptor típico coherentes, la información de velocidad se puede extraer de las variaciones pulso a pulso en la señal recibida. La prueba de verificación de la estabilidad del transmisor pulso a pulso es cada vez más demandada en el funcionamiento del equipamiento de medida como información de fase, no contemplado en un analizador de espectro tradicional.  Los radares de compresión de pulso se usan para mejorar el rango de resolución. La Modulación de Frecuencia en Pulso (FMOP) y Modulación de Fase en Pulso (PMOP) puede mejorar sustancialmente la habilidad para resolver múltiples objetivos a grandes distancias. Una chirp FM de 2GHz de ancho de banda puede resolver objetivos separados menos de 10cm. Algunas de las técnicas típicas FMOP/PMOP incluyen: modulación de frecuencia lineal (FM Chirp); modulación de frecuencia no lineal; modulación de fase de pulso codificada (e.j. códigos Barker); y modulación codificada tiempo-frecuencia. No sólo hacer compresión de pulso tiende a incrementar la necesidad para anchos de banda de análisis con anchos de pulsos reducidos y tiempos de subida rápidos, sino que también para analizar la estabilidad del transmisor se requieren diferentes tipos de análisis de forma de onda no disponibles en los analizadores de espectro tradicionales. Para recopilar la información de fase necesaria, se requiere una conversión IQ banda base para realizar el tipo de análisis necesario para validad este tipo de transmisores radar.

Un ejemplo de una técnica radar avanzada podría ser el uso de un intervalo de repetición de pulso escalonado (PRI). Esta técnica se usa en la mayoría de los radares modernos para vencer las limitaciones de un PRI constante. Radares de frecuencia PRI constante son susceptibles a interferencias y a la identificación falsa del objetivo debido al doble eco. La Figura 5 muestra el análisis de un transmisor de multi-tasa PRF.  No sólo es el PRI el que varía en este caso, sino que también varían los anchos de pulso. Este tipo de análisis en un analizador de espectro tradicional no sería posible así como muchas de las medidas descritas anteriormente que requieren un PRI constante y estable.

Arquitectura del analizador de espectro moderno para análisis de radares avanzados

 

Realizar un análisis de señales de radar modernas requiere una arquitectura de analizador de espectro que va más allá del analizador de espectro de barrido tradicional. Los analizadores de espectro modernos incorporan una adquisición FFT o modo análisis de señal vectorial. Esta clase de analizadores de espectro también se denominan analizador de señal. Los analizadores de espectro en tiempo real también utilizan una arquitectura de adquisición similar.

Como se muestra en la Figura 6, el analizador de señal vectorial tiene un front-end similar al de un analizador de espectro de barrido tradicional con filtrado y conversión de frecuencia.  Sin embargo, una vez que la señal se ha situado en una frecuencia IF, el espectro completo de la señal convertida se digitaliza mediante un convertidor A/D y se almacena en memoria. Los datos muestreados en el tiempo se pueden entonces convertir mediante FFT y un procesado de forma de onda donde la información de fase, espectro y tiempo se puede conservar para análisis. Con el analizador de señal vectorial, el ancho de banda del análisis no está limitado por el ancho de banda de resolución máximo como el analizador de barrido, sino por el ancho de banda máximo de IF.  El ancho de banda de IF se define mediante el convertidor A/D, tasa de muestreo, y filtrado de IF asociado.  Los analizadores de señal vectorial típicos tienen anchos de banda de 40 MHz, 80 MHz, y hasta 160 MHz para habilitar el análisis de anchos de pulso mucho más rápidos con un grado mayor de certeza como se muestra en la Figura 7.

Las adquisiciones se capturan sin pérdida de información en la memoria y posteriormente se realiza una FFT y análisis de forma de onda en las señales adquiridas.

 

Consideraciones importantes para medidas de pulso-pulso

 

La representación de información en pulsos individuales e información de tendencias de pulsos requiere análisis avanzado en analizadores de espectro modernos. La Figura 8 muestra un análisis de pulso individual de una chirp FM lineal. La pantalla muestra el tren de pulsos para varios pulsos y análisis tabulado (verde) para los pulsos individuales. El análisis de pulsos individual (azul) para la chirp FM lineal se expresa en Frecuencia, Amplitud, y Fase vs Tiempo usando el Análisis de Pulso.

 

Definir los parámetros del pulso

 

Como se muestra en la Figura 9, el analizador de señal vectorial proporciona una serie de visualizaciones en el dominio del tiempo y resultados de medida que no están disponibles en un analizador de espectro tradicional de barrido. Para entender la importancia de la incertidumbre de medida asociada a los resultados, es importante definir los parámetros del pulso. Los tiempos de subida y bajada se miden típicamente entre el 10-90% excluyendo los parámetros de “Overshoot” y “Droop” asociados al pulso. La anchura del pulso se mide típicamente al 50% del flanco de subida y bajada medido en unidades lineales. La selección del punto de disparo y el punto de referencia de fase para las medidas pulso-a-pulso tienen una relación directa en los resultados de medida.

Cuando se mide el funcionamiento pulso-a-pulso de un transmisor radar, es importante entender las variables que pueden afectar a la incertidumbre del sistema de medida para medidas Doppler precisas, que incluyen:

 

Relación Señal a Ruido 

Ancho de banda de Señal y Filtrado

Estabilidad del reloj de referencia (o base de tiempo) y Jitter de disparo.

Acumulación de Ruido de Fase

 

Las mismas variables pueden también contribuir a la incertidumbre en el generador de señal cuando se analiza el circuito receptor y la incertidumbre de medida Doppler. 

 

Análisis de las variables

 

Relación Señal a Ruido: 

 

Como regla general, cuanto mayor es la relación señal a ruido, menor es la incertidumbre debido a la contribución del ruido. Mientras que esto no es algo típico cuando se mide un pulso estable, la incertidumbre puede incrementar si el tren de pulso pasa a un modo de funcionamiento rampa de potencia. También se podría observar una rampa de potencia hacienda una medida sobre el aire, si la medida está localizada en una posición fija mientras que el radar de antena gira (ej. Radar de Control de Tráfico Aéreo). También es importante lo relacionado con el ancho de banda de medida del instrumento con respecto al ancho de banda de la señal de interés. Demasiado ancho de banda puede incrementar la potencia de ruido respecto a la señal.

 

Ancho de banda de Señal y Filtrado:

 

El ancho de banda del sistema de adquisición de IF debe ser el suficiente para representar de forma precisa el tiempo de subida de la señal pulsada. Como se ha mencionado previamente, un ancho de banda de IF demasiado alto puede incrementar el ruido. Sin embargo, si el ancho de banda se reduce artificialmente para filtrar el ancho de pulso de la señal, las medidas pulso a pulso podrían reducirse artificialmente mediante la instrumentación de medida.  Aplicar filtrado para prevenir el parámetro de overshoot de los flancos de subida y bajada del pulso puede mejorar sustancialmente la reproducibilidad de la señal.  Es importante que la selección del punto de medida pulso a pulso, o el ajuste de los puntos de medida, sea el suficiente en tiempo para detector los flancos del pulso. 

Aplicar un filtro Gaussiano para suavizar el pulso puede mejorar la incertidumbre de medida pulso a pulso. Se debe tener en cuenta que el filtrado usado para hacer estable la medida de pulso tendrá impacto sobre otras medidas como el tiempo de subida y la ocupación del espectro. Se debería asegurar la configuración de los parámetros para cada medida para asegurar la reproducibilidad y precisión de los resultados.

Estabilidad de Reloj de Referencia (Base de tiempos) y Jitter de Disparo:

 

Cuando se mide una señal radar, es importante unir la base de tiempos del sintetizador radar al equipo de medida. Sin embargo, esto no siempre es posible, especialmente cuando se miden señales sobre el aire. Algunos radares, como los “bistatic” o “multistatic” tienen receptores localizados a una gran distancia del transmisor y requieren sincronización mediante el reloj de referencia (GPS). Entre la estabilidad  a corto plazo del reloj y los errores asociados con síntesis de circuito de disparo, la ambigüedad de fase puede dar lugar a errores pulso a pulso. 

 

Acumulación Ruido de Fase:

 

El impacto de ruido de fase en la incertidumbre en la medida es directamente proporcional al tiempo de medida y a las prestaciones de ruido de fase a diferentes offset de frecuencia. La acumulación de ruido de fase ocurre en el intervalo entre el pulso de medida de referencia y el pulso a medir. Cuando mayor es el periodo, mayor es la acumulación de ruido de fase. Por tanto, las prestaciones del ruido de fase a offset de frecuencias cercanos puede ser una de las variables más importantes de las medidas pulso a pulso.

 

Resumen

 

Las señales de radar simples se han medido tradicionalmente usando analizadores de espectro de barrido. Sin embargo, las señales de radar modernas que ahora incluyen técnicas de modulación de fase y frecuencia o PRI escalonado no pueden usar una arquitectura simple para obtener resultados significativos. Se requieren arquitecturas de analizador de espectro modernas, como el analizador de señal vectorial, para hacer medidas de señales de radar pulsadas avanzadas.

Es importante seleccionar el analizador de señal vectorial con un ancho de banda suficiente para conseguir resultados reproducibles.  

Analizadores de señal vectorial, como el Rohde & Schwarz R&S FSW con la Opción K6, están ahora disponibles con un software de análisis de señal avanzado para proporcionar medidas escalares y vectoriales precisas de señales pulsadas. 


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