车载77GHz调频连续波雷达，频谱仪分析信号的实践操作 留言

为确保调频连续波雷达的工作性能，测量频率线性度等相关质量指标至关重要。本操作实践重点演示了全自动、实时准确测量线性调频连续波雷达信号的方法，以及基信号处的理本流程，描述了线性偏差对雷达核心性能指标的影响，并对线性调频连续波雷达信号的测量进行了详细分析。

R&S®FSW-K60信号和频谱分析仪主要用于分析瞬态信号，如线性调频连续波雷达信号和多频移键控雷达信号等跳频序列。扩展版FSW-K60C可自动探测线性调频连续波、突发式信号和非突发式信号，也可测量线性调频斜率、线性调频持续时间(相干处理间隔)和线性度。

调频连续波雷达信号工作在77-81GHz频段内，测量带宽500MHz。分析77GHz典型雷达信号的基本特征，测量了具体参数，下面将对测量步骤进行详解。

3.1 软硬件需求

在频谱分析仪上设置固定的频率范围和带宽，用于测量雷达信号。

• 雷达信号载频：77.0 GHz

• 雷达信号带宽：480 MHz

• 线性调频信号持续时间/相干处理间隔：1 ms

上述特性参数必须与R&S®FSW信号和频谱分析仪一致，该分析仪可对2Hz至8/13.6/26.5/43.5/50/67 GHz频段进行测量，附加R&S外部谐波混频器后，可测频域达到110 GHz，带宽分析能力达到500 MHz。

硬件和软件需求

• R&S®FSW信号和频谱分析仪

• R&S®FS-Z90谐波混频器

• R&S®FSW-B500进行500 MHz带宽分析

• R&S®FSW-B21作为本振/中频端口外部混频器

• R&S®FSW-K60瞬态测量

• R&S®FSW-K60C进行瞬态线性调频测量

3.2 基本信号测量

重置R&S®FSW信号和频谱分析仪；

按重置键；

开始瞬态分析，设置频率，扫宽，测量时间和分析区间；

模式：瞬态分析；

输入/输出：外部混频器配置：配置并激活外部混频器输入(如E- band)

    频率：77.0GHz

    扫宽：500MHz

    扫描：测量时间：10 ms

测量设置：数据采集：分析区间设为最大值

带宽显示：打开

时间显示：打开

点击单帧模式

图3-1：外部混频器设置

选择信号模式为“线性调频信号”，开始自动分析

测量配置：信号类型：信号模式：线性调频信号

图3-2：标准测量图

图3-2中“区域调频时域(Region FM Time Domain)”窗口显示了被测器件发射的斜率分别为正负的线性调频信号。

3.2.1 幅度，频率和相位与时间关系的测量

R&S®FSW-K60C瞬态分析选项的标准化界面应显示以下五项内容：

1.射频频谱全景图

2.区域调频时域

3.光谱全景图

4.线性调频频偏时域图

5.线性调频结果表

还可添加或替换其他几种测量显示窗口。如需进行添加或替换操作，可直接选择或拖拽相关显示图标至界面区域。

图例3-3显示的是将“调相时域”窗口替换 默认的“线性调频信号频偏时域”窗口。根据测量需求，波面和波背相位主值显示在相位与时间坐标空间中。测量：显示设置：选择拖拽“调相时域”至界面区域

图3-3：调相时域测量

 “区域调相时域”窗口显示了“分析区间”中相位和时间的关系。而在图3-2中，该区域显示的是“线性调频(1)”的测量值。

3.2.2 测量线性调频斜率

在应用线性调频信号模式条件下，可自动进行多项测量

    线性调频长度

    线性调频斜率

    相对标称线性调频信号斜率下的斜率偏差值

    线性调频信号平均频率（即线性调频中心频率）

    与理想线性频率分布对比时线性调频信号频偏最大值

    与理想线性频率分布对比时线性调频信号频偏均方根值

    与理想线性频率分布对比时线性调频信号频偏平均值

    线性调频信号平均功率

所有线性调频信号检测值均在“线性调频结果”窗口显示。应用自动线性调频信号检测，分析所得数据，得出线性调频斜率和偏差值，并在“信号状态”表中显示。当上述所有检测值确定时，信号的具体状态参数也可确定（在需进行某种具体验证时）。

信号状态表征了线性调频斜率和持续时间，如图3-4所示，关闭线性调频自动检测模式，根据预设线性调频状态设定斜率：

测量配置：信号说明：信号状态：线性调频>自动模式：关闭

    删除状态

    插入预设线性调频状态

    插入预设“线性调频信号斜率”（单位kHz / μs）和“容限”，尽可能添加线性调频信号状态以便于检索。本例中，线性调频信号带宽为480 MHz，线性调频信号时长为1 ms。因此可确定线性调频斜率如下：

    线性调频信号上升沿斜率为正：

    线性调频信号斜率：480 kHz/μs 容限: 480 kHz/μs

    线性调频信号下降沿斜率为负：

    线性调频信号斜率：-480 kHz/μs 容限: 480 kHz/μs

    预设测试时间。本步骤为可选项，用于过滤多余线性调频信号，或类似短时“线性调频”的随机噪声引起的干扰检测。本例中，线性调频持续时间最小值为50μs，这样可以避免噪声干扰检测。

测量配置：信号说明：信号状态：线性调频信号状态>定时：关闭

    ▪最小线性调频信号时长：50 μs

    ▪最大线性调频信号时长：2 ms

设置完毕并保存后，信号状态应用于所有测量值，“线性调频信号结果”表格会自动更新。

图3-4：信号状态

设定信号状态后，将会对所有线性调频信号进行自动测量分析。图3-5说明了“线性调频斜率和时间”坐标轴下，设置标称线性调频斜率状态后，一定容差域条件下线性调频信号的检测过程。

当被测线性调频信号斜率在特定容差域范围内，且时长介于“最小线性调频时长”和“最大线性调频时长”之间时，可检测出线性调频信号的状态。如同设置时间参数一样，这也说明了如何根据信号状态表去选择线性调频信号的斜率和容限。

在显示配置中选择“线性调频信号斜率时域”，选择测量范围为“分析区域”。

测量设置：显示配置：选择并拖拽“线性调频信号斜率时域”

图3-5：定义主线性调频信号参数和特征值

测量设置：分析区域

测量结果显示了连续线性调频信号斜率的变化过程。红色箭头指示的位置为线性调频斜率由负变为正，即负斜率的尾端和正斜率的始端。

图3-6：线性调频信号斜率测量

双击“线性调频信号结果”窗口，变为全屏显示模式。

下方窗口显示的是状态索引（相对应“信号状态表”）和线性调频信号时长、频偏等信号属性。

例如，序号1，状态索引1的线性调频信号调频时长为1ms，斜率为-479.986 kHz/μs。和定义的状态对比具有14 Hz/μs的线性调频斜率频偏。另外也显示了相对理想线性条件下的最大频偏等参数。

可以看出正斜率线性调频信号(状态索引0)的频偏峰值大于负斜率线性调频信号(状态索引1)的频偏峰值

图3-7：线性调频信号结果表

3.2.3 测量线性调频信号线性度

前文已讨论线性调频信号的线性度对于雷达估测精度和分辨率的重要性。因此在显示配置中选择“频偏时域”结果，设定测量范围为“分析区域”，如图3-8所示。

测量：显示配置：选择并拖拽“频偏时域”窗口

测量：分析区域

图3-8：线性调频信号线性度测量

根据“信号状态”表，测量结果显示所有线性调频信号的频偏。两种测量的时间轴是一致的。

在频偏显示窗口中，可以明显看见正斜率起始和负斜率终止间的峰值，但在调频时域显示中却看不出来。然而，频偏显示中包含了噪声影响。在“频偏时域中”测量单个轨迹（如视频滤波），或者测量多个轨迹（如轨迹平均）中，可以通过应用统计平均技术来减小噪声。

3.2.4 线性调频信号线性度测量具体方法

为了具体分析线性调频信号，我们先以负斜率信号为测量对象，在测量范围内，它包含一个明显的峰值。

在线性调频相关结果显示中改变测量范围

选择调频时域

测量：线性调频信号

选择频偏时域

测量：线性调频信号

图3-9：线性调频信号分析详解

在频偏时域图中，可模糊分辨出正弦干扰。信号中也存在一些峰值。为了看清干扰信号，可通过减小调频信号的视频带宽来减小噪声带宽。

带宽：调频信号视频带宽：1%低通带宽

图3-10：调频信号视频带宽，应用1%低通带宽

选择频偏时域显示窗口，增加一条轨迹。注意测量范围可以设置为全部“分析区域”，或者单个“已选线性调频信号”。

选择“频偏时域”

轨迹：轨迹配置：多轨迹

轨迹1为最大值保持，打开“保持”开关

轨迹2为平均值，打开“保持”开关

轨迹3位最小值，打开“保持”开关

图3-11：在“频偏时域”测量中增加轨迹

图3-12：“频偏时域”测量中的多轨迹

图3-12显示的是线性调频信号的正弦频偏，偏移值为+/-10 kHz，峰值仍然可见。本例中为便于演示，有意将被测信号和+/-10 kHz正弦波进行同步。通过上述测量仪器测量77GHz射频，可清晰分辨出预期“误差”，并实现精确量化。

3.2.5 测量单个线性调频信号

其他被测线性调频信号也很有参考意义。完成多个线性调频信号检测后，可以选定其中一个线性调频信号继续分析，并逐步跟踪线性调频连续波结果列表。

“频偏时域”等所有测量线性调频信号的窗口将自动更新相应内容，并显示被选线性调频信号的轨迹数据。“线性调频信号结果”表中蓝色突出部分与显示窗口相对应。

测量：选择线性调频信号

逐步跟踪被测线性调频信号

图3-13：选择单个线性调频信号

被测正斜率线性调频信号（线性调频信号序号2）也显示了一个正弦频偏以及多个信号峰值。

如本文2.3节所述，一个正弦波干扰会影响拍频测量的精确度，在傅里叶频谱中形成更宽的本地最大值，减小了距离分辨率、径向速度分辨率以及拍频测量精确度。 

4 测量长期稳定性

峰值、频偏或正弦振荡是仅在特定时间出现在单个线性调频信号中，还是频繁出现，这些决定着长期稳定性测量。此类测量也可用于分析诸如温度变化等不同条件下雷达信号的状态变化。 

4.1 统计和趋势分析

下一步将以包含明显峰值和正弦波干扰的正斜率线性调频信号作为被测对象，关注其统计数据和长期稳定性。

仅关注正斜率线性调频信号，测量数据会自动更新

测量配置：信号描述：信号状态：线性调频信号

除“状态索引0”的正斜率线性调频信号外，其余线性调频信号状态信息全部删除。

图4-1：信号状态

更改相关配置，显示“频偏”，“线性调频信号斜率”和“线性调频信号统计”

测量：显示配置

选择并拖拽“频偏时域”、“线性调频信号斜率时域”和“线性调频信号统计”窗口

设定各个参数的开关状态，在“线性调频信号特征”表中显示确定的测量值。

测量配置：结果配置：表格配置

 “状态索引”和“平均频率”设为关闭

图4-2：统计表配置

结果显示的是频偏、线性调频信号斜率和统计值。在线性调频信号统计值中，蓝线表示的是当前被选中的线性调频信号统计结果（线性调频信号序号2）。绿色部分显示的是当前所得统计值（10ms内）。背景为黑色部分显示的是多次扫描（100次）所得数据后，所有线性调频信号的累计值。

在累计统计设置中，设定扫描次数。窗口右上角的计数器显示的是实际扫描次数。

扫描：扫描次数：100

运行单帧模式

图4-3：频偏和线性调频信号统计

5 总结

雷达系统可为目标探测、参数估测和跟踪识别等多种需求提供服务。为确保系统性能，一部雷达不仅能有效处理信号，还需要有良好的射频特性。在车载雷达传感器或便携式近程侦察雷达中，信号线性度是线性调频连续波雷达信号的最重要的参数之一。

本文的操作阐明了线性调频连续波雷达系统基本信号的处理过程，显示了信号发射过程中非线性对精确度及分辨率等核心参数指标的影响。

本文详细描述了如何使用R&S®FSW信号和频谱分析仪及其瞬态测量功能，对频率为77GHz，带宽为480MHz的线性调频连续波雷达信号进行测量的具体步骤。

根据此操作说明可全自动测量线性调频发射信号的质量，识别影响雷达性能的潜在信号。

 

原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）