Demodulación de pulsos de RF de radar con un osciloscopio

Su misión

Su tarea consiste en medir pulsos de RF de radar en relación a la frecuencia, el tipo de modulación (lineal ascendente/descendente, exponencial, en fase), la tasa de chirp, la secuencia de modulación, el intervalo de repetición de pulsos (PRI) y la amplitud, para comprobar si satisfacen sus requerimientos ¹⁾. Para ello debe disparar en un pulso de una forma reproducible con el fin de posicionar el pulso correctamente para las medidas. Una vez realizado el disparo, puede demodular los pulsos, que pueden ser modulados en frecuencia o en fase.
¹⁾ Richard, Mark (2013): Fundamentals of Radar Signal Processing. 2.ª edición: McGraw-Hill Companies

Solución Rohde & Schwarz

Los osciloscopios R&S®RTO y R&S®RTP pueden analizar pulsos de RF con frecuencias de hasta 6 GHz/8 GHz. La función más importante para el análisis de pulsos es el disparo digital. En comparación con un disparo analógico, el disparo digital posee una sensibilidad de disparo mucho mejor y no presenta limitación de ancho de banda para tipos de disparo avanzados. Para analizar el pulso de RF, el disparo debe aparecer siempre en la misma posición con respecto al pulso. A modo de ejemplo, partimos de un tren de impulsos con una duración de pulso de 25 μs y un PRI de 50 μs (véase la captura de pantalla más abajo). Un zoom muestra el tercer pulso con mayor detalle en la posición del disparo (t = 0 s).

Para esta captura se utiliza un disparo de ancho. La configuración del disparo (Trigger on radar RF pulses with an oscilloscope - ficha de aplicación, PD 3609.2000.92 Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG) y el análisis de envolvente (Analyzing RF radar pulses with an oscilloscope - ficha de aplicación, PD 5215.4781.92, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG) se describen en documentos separados. La escala horizontal está ajustada a 14 μs/div, de forma que se capturan tres pulsos para analizar la secuencia de modulación.

El pulso está ahora demodulado. El tren de impulsos del ejemplo está modulado en frecuencia y se demodula utilizando una de las medidas de frecuencia automáticas del osciloscopio. Utilizando esta medida en combinación con la función de seguimiento, los resultados de frecuencia se visualizan como una función de tiempo. Este método tiene buenos resultados con señales de radar de banda ancha como las de los radares para vehículos. Para las señales de banda estrecha, como las de los radares para el control del tráfico aéreo (ATC), en las que la frecuencia de la portadora es amplia en proporción al ancho de banda ocupado (f_C >> f_B), la función de seguimiento supone un alto nivel de ruido. Este ruido limita la precisión de la medida de la tasa de chirp y exige una reducción del ruido complementaria.

Reducir el ruido de la señal no es sencillo. No se puede emplear un filtro paso banda simple, ya que la frecuencia portadora cambia. El ancho de banda del filtro debe ser bastante amplio. En un sistema de radar convencional y coherente, los caminos de recepción y transmisión comparten un oscilador local estabilizado. En un osciloscopio, la conversión descendente con el oscilador de transmisión local resulta imposible, puesto que la señal no está disponible. Otro método consiste en utilizar un bucle de enganche de fase (PLL) ¹⁾ para demodular la señal.
¹⁾ Richard, Mark (2013): Fundamentals of Radar Signal Processing. 2.ª edición: McGraw-Hill Companies

Los osciloscopios R&S®RTO y el R&S®RTP están equipados con un sistema de recuperación de datos de reloj (CDR) basado en software equivalente a un PLL. Con la función de medida automática la velocidad de datos mide esencialmente la frecuencia instantánea del pulso. Si está activada la función de seguimiento de la velocidad de datos, la frecuencia instantánea se visualiza en la línea de tiempo (véase «Track 2» en la parte derecha de la primera captura de pantalla). Al utilizarse la función de velocidad de datos, la unidad vertical de la pista visualizada se indica en gigabits por segundo (Gbps), lo que equivale a GHz puesto que el periodo de bits y el periodo senoidal son iguales.

El diagrama 1 (segmento superior de la primera captura de pantalla) muestra la secuencia de modulación de chirps ascendentes-descendentes dentro del tren de impulsos de tres pulsos. Para obtener un análisis más detallado se puede utilizar el cursor sobre la pista en la ventana de zoom para medir la tasa de chirp. Con ello se mide el cambio de frecuencia del pulso a lo largo del tiempo. En el ejemplo descrito, el área «Cursor Results 1» (parte inferior derecha en la primera captura de pantalla) muestra 10 MHz en 25 μs para el chirp descendente.

La función de velocidad de datos requiere la configuración de la CDR. La captura de pantalla de arriba muestra el menú CDR, donde el algoritmo está asignado al PLL, y los flancos de datos a los flancos positivos. El orden del PLL se define como segundo orden, ya que solamente un PLL de segundo orden indica la pista de tiempo correcta de la frecuencia 1) con respecto a la velocidad de datos. La estimación de la velocidad de bits ajusta la velocidad nominal al valor esperado.

El factor de amortiguación y los ajustes de sincronización no necesitan ningún cambio. El ancho de banda solo es importante para la medida. El ancho de banda de PLL permite equilibrar el ruido visible y el tiempo de estabilización para el pulso inicial. Un ancho de banda amplio se estabiliza rápido, pero no atenúa el ruido de forma eficaz, mientras que un ancho de banda menor atenúa el ruido eficientemente en la pista, pero necesita más tiempo para la estabilización. Con el ajuste de ancho de banda de PLL visualizado de 3,8 MHz, el ruido es apenas visible en la pista y el efecto de la estabilización es mínimo, lo que mejora la precisión de la medida de la tasa de chirp.

Resumen

Los osciloscopios R&S®RTO y R&S®RTP analizan pulsos de RF hasta el ancho de banda máximo del modelo utilizado. Para llevar a cabo un análisis detallado, el R&S®RTO y el R&S®RTP permiten disparar con exactitud sobre el pulso. La forma de onda estable capturada se puede demodular para analizar características importantes como la secuencia de modulación y la tasa de chirp. El R&S®RTO y el R&S®RTP permiten caracterizar también con precisión la envolvente del pulso (Analyzing RF radar pulses with an oscilloscope - ficha de aplicación, PD 5215.4781.92, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG).