方 成

(西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安710127)

DME脈沖調(diào)制信號(hào)波形參數(shù)對(duì)空間頻譜占用的影響分析

方 成

(西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安710127)

航空測(cè)距器DME的開發(fā)、調(diào)試和性能驗(yàn)證都要用到高斯雙脈沖調(diào)制格式的DME信號(hào)。由于專用的DME信號(hào)模擬器技術(shù)復(fù)雜、價(jià)格昂貴,人們常用具有快沿雙脈沖調(diào)制功能的模擬信號(hào)源替代。本文以航空測(cè)距器DME信號(hào)要求為依據(jù),初步分析了這種替代可能存在的問(wèn)題,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同邊沿條件下高斯雙脈沖、矩形雙脈沖調(diào)制信號(hào)的功率頻譜占用情況進(jìn)行了驗(yàn)證。

高斯雙脈沖 矩形雙脈沖 上升、下降時(shí)間 功率譜

1 引 言

脈沖調(diào)制與解調(diào)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在導(dǎo)航、雷達(dá)和通信領(lǐng)域。隨著儀器技術(shù)的發(fā)展,帶有脈沖調(diào)制的信號(hào)源也被大量應(yīng)用到上述領(lǐng)域的產(chǎn)品研發(fā)、調(diào)試和性能驗(yàn)證中。但人們?cè)谶x用脈沖調(diào)制信號(hào)源做標(biāo)準(zhǔn)時(shí)往往把波形參數(shù)的重點(diǎn)放在幅度、脈寬和周期等方面,而忽視或放棄對(duì)脈沖上升沿和下降沿指標(biāo)的要求。這樣做有很大一部分原因是脈沖上升沿和下降沿可調(diào)的射頻信號(hào)源較少,而矢量信號(hào)源需要通過(guò)波形文件編輯—數(shù)字基帶源—I/Q調(diào)制的方法才能實(shí)現(xiàn),但編輯產(chǎn)生波形文件較復(fù)雜。許多科研人員用帶有脈沖調(diào)制功能的模擬信號(hào)源,往往也能獲得想要的結(jié)果,這就產(chǎn)生一種假象:脈沖上升和下降時(shí)間并非那么重要。作為通用儀器,模擬信號(hào)源脈沖調(diào)制器的上升和下降沿指標(biāo)標(biāo)志著信號(hào)源的脈沖調(diào)制能力,即越快越好。目前許多高端信號(hào)源的脈沖調(diào)制上升時(shí)間在ns量級(jí),且固定不可調(diào)。如果用這種脈沖調(diào)制信號(hào)源去測(cè)試窄帶多通道系統(tǒng)時(shí),不僅會(huì)導(dǎo)致鄰道干擾而且還會(huì)降低其測(cè)試條件。

測(cè)距器DME(Distance Measuring Equipment)又稱脈沖近程測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng),用在商業(yè)和通用航空領(lǐng)域,為飛機(jī)提供距離機(jī)場(chǎng)信息[1]。它由地面信標(biāo)臺(tái)和機(jī)載設(shè)備組成,采取詢問(wèn)應(yīng)答工作方式,工作在(962～1 213)MHz頻段,分X、Y模式[1]。在這個(gè)頻段,機(jī)載設(shè)備詢問(wèn)頻率波道126個(gè),間隔為1MHz;地面臺(tái)應(yīng)答頻率波道252個(gè),間隔也為1MHz。詢問(wèn)、應(yīng)答頻道中心頻率相差63MHz。

本文以DME信號(hào)要求為依據(jù),分析了高斯雙脈沖、矩形雙脈沖調(diào)制信號(hào)的能量頻譜分布,并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了信號(hào)前后沿改變時(shí),不同波形信號(hào)能量頻譜的變化,其結(jié)果對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)、維護(hù)和測(cè)試等工程應(yīng)用具有較好的指導(dǎo)與借鑒作用。

2 DME信號(hào)的時(shí)域函數(shù)表達(dá)式、波形參數(shù)要求

DME系統(tǒng)工作時(shí)地面信標(biāo)臺(tái)和機(jī)載設(shè)備都互發(fā)射相同包絡(luò)形狀的射頻脈沖對(duì)。在脈沖對(duì)的第一個(gè)脈沖前沿上,相當(dāng)于該脈沖最大幅度50%的點(diǎn)稱之為定時(shí)點(diǎn)。DME系統(tǒng)的地面信標(biāo)臺(tái)和機(jī)載設(shè)備都是以收到對(duì)方脈沖對(duì)的定時(shí)點(diǎn)為計(jì)算距離的時(shí)間參考點(diǎn),所以脈沖定時(shí)點(diǎn)的解算精度是DME系統(tǒng)接收機(jī)的主要誤差源之一。對(duì)于脈沖時(shí)域測(cè)量電路,脈沖沿越陡,幅度測(cè)量誤差對(duì)時(shí)間測(cè)量的影響越小,距離測(cè)量準(zhǔn)確度越高,但其頻譜也越寬,對(duì)鄰道干擾也會(huì)越大。所以為了壓縮信號(hào)頻譜寬度,減少鄰道干擾,同時(shí)還要保證距離解算準(zhǔn)確度,DME信號(hào)的脈沖包絡(luò)波形參數(shù)必須控制在一個(gè)合理的范圍。

民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)DME信號(hào)的脈沖包絡(luò)波形做出規(guī)定:脈沖波形都為鐘形脈沖,脈沖頂部的瞬時(shí)幅度應(yīng)不低于該脈沖最大幅度的95%[2]。較為理想的波形包絡(luò)參數(shù)如下:

上升時(shí)間:(2.0±0.25)μs,下降時(shí)間:(2.5± 0.5)μs,半幅點(diǎn)寬度:(3.5±0.5)μs,脈沖間隔: 12μs(X模式)、36μs(Y模式)。

標(biāo)準(zhǔn)DME高斯雙脈沖的頻譜函數(shù)如下:

設(shè)高斯單脈沖時(shí)域函數(shù):

式中:σ——高斯脈沖陡度,近似于等幅度矩形面積的半寬度。

則,高斯脈沖的頻譜函數(shù)為:

脈沖間隔為c的等幅高斯雙脈沖時(shí)域函數(shù)可寫成:

即:

根據(jù)傅里葉變換的線性和時(shí)移特性可得高斯雙脈沖的頻譜函數(shù):

在室內(nèi)進(jìn)行DME系統(tǒng)的接收機(jī)測(cè)試時(shí)使用的DME信號(hào)模擬器產(chǎn)生信號(hào)的波形不僅要與標(biāo)準(zhǔn)相近,而且邊緣條件也應(yīng)該可調(diào)整,調(diào)整范圍覆蓋標(biāo)準(zhǔn)允許范圍。有時(shí)候?yàn)榱私档蜏y(cè)試成本,常用具有矩形雙脈沖調(diào)制功能的模擬信號(hào)源替代DME模擬器。這種信號(hào)源通常采用開關(guān)通斷的原理實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的脈沖調(diào)制,內(nèi)部具有快速的脈沖調(diào)制器和調(diào)制源,產(chǎn)生的脈沖調(diào)制信號(hào)上升、下降沿非常快,一般在ns量級(jí),且不可調(diào)整,無(wú)形中降低了測(cè)試條件。模擬信號(hào)源產(chǎn)生的矩形雙脈沖頻譜函數(shù)如下:

設(shè)矩形單脈沖為寬度τ的門函數(shù),時(shí)域函數(shù):

則其頻譜函數(shù):

脈沖間隔為c的矩形雙脈沖時(shí)域函數(shù):

則其頻譜函數(shù):

3 兩種模擬DME信號(hào)的能量譜分析

比較高斯脈沖與矩形脈沖的頻域表達(dá)式可以發(fā)現(xiàn),高斯脈沖的頻譜函數(shù)具有負(fù)平方指數(shù)形式,這表明在頻域上,它的上升和下降趨勢(shì)要比矩形脈沖快,即在同樣的脈寬和同樣的上升、下降時(shí)間,信號(hào)所占的頻帶寬度要窄,收斂要快。以測(cè)試DME系統(tǒng)地面臺(tái)接收機(jī)需要測(cè)試信號(hào)具有機(jī)載詢問(wèn)信號(hào)的特征為例,通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察DME信號(hào)包絡(luò)的上升、下降時(shí)間與其能量譜的分布關(guān)系。

民航標(biāo)準(zhǔn)對(duì)DME機(jī)載設(shè)備詢問(wèn)信號(hào)頻譜要求:以偏離頻道標(biāo)稱頻率±0.8MHz的頻率為中心的各自±0.25MHz帶寬內(nèi)所包含的能量比頻道標(biāo)稱頻率為中心的±0.25MHz帶寬內(nèi)所包含的能量至少低23dB;以偏離頻道標(biāo)稱頻率±2.0MHz的頻率為中心的各自±0.25MHz帶寬內(nèi)包含的能量比頻道標(biāo)稱頻率為中心的±0.25MHz帶寬內(nèi)所包含的能量至少低38dB[3];頻譜的每個(gè)波瓣應(yīng)小于靠近頻道標(biāo)稱頻率的那個(gè)鄰瓣。為了驗(yàn)證這種信號(hào)源替代帶來(lái)的影響,本文做了以下三種測(cè)試:

1)高斯雙脈沖波形,上升、下降沿符合標(biāo)準(zhǔn)要求的DME信號(hào)的能量譜分布;

2)矩形雙脈沖波形,上升、下降沿符合標(biāo)準(zhǔn)要求的DME信號(hào)的能量譜分布;

3)矩形雙脈沖波形,上升、下降沿遠(yuǎn)快于標(biāo)準(zhǔn)的DME信號(hào)的能量譜分布。

由于信號(hào)f(t)的能量E與頻譜函數(shù)的關(guān)系有:

因此,可以把本文討論的信號(hào)能量測(cè)量轉(zhuǎn)換成功率譜求和,即帶內(nèi)總功率測(cè)量。

4 測(cè)試驗(yàn)證

4.1 測(cè)試所用儀器

測(cè)試儀器詳細(xì)信息見表1。

表1 測(cè)試儀器詳細(xì)信息

測(cè)試過(guò)程示意圖如圖1所示。

4.2 測(cè)試過(guò)程

4.2.1 信號(hào)產(chǎn)生

依據(jù)DME信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)用Matlab編制或由R/S公司的脈沖序列軟件K300/K301產(chǎn)生不同上升、下降時(shí)間的高斯雙脈沖和矩形雙脈沖波形文件,下載到矢量信號(hào)發(fā)生器SMW200A內(nèi)部的數(shù)字基帶源中,產(chǎn)生以下三個(gè)調(diào)制信號(hào):

1)脈沖間隔12μs,上升時(shí)間1.75μs、下降時(shí)間2.25μs、半幅點(diǎn)寬度4.0μs的高斯雙脈沖基帶信號(hào);

2)脈沖間隔12μs,上升時(shí)間2.25μs、下降時(shí)間2.75μs、半幅點(diǎn)寬度4.0μs的高斯雙脈沖基帶信號(hào);

3)脈沖間隔12μs,上升時(shí)間2.25μs、下降時(shí)間2.75μs、半幅點(diǎn)寬度4.0μs的矩形雙脈沖基帶信號(hào)。

設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器SMF100A內(nèi)部脈沖調(diào)制為雙脈沖,脈沖間隔12μs,半幅點(diǎn)寬度 4.0μs、上升/下降時(shí)間取決SMF200A信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部的脈沖調(diào)制源和調(diào)制器,標(biāo)稱值≤10ns。

四種信號(hào)分別調(diào)制到DME系統(tǒng)X模式(脈沖間隔12μs)的某一工作頻道上,設(shè)置中心頻率為f0=1GHz,輸出峰值電平0dBm。

4.2.2 測(cè)試結(jié)果

用信號(hào)與頻譜分析儀 FSW的通道功率測(cè)量(Channel Power)功能測(cè)試f0±0.25MHz帶寬內(nèi)總功率,作為參考(ref.);用鄰道功率測(cè)量(Adjacent-Channel Power)功能分別測(cè)量偏離f0±0.8MHz、± 2.0MHz的各自±0.25MHz帶寬內(nèi)總功率,并分別計(jì)算相對(duì)于f0參考通道的鄰道功率比,dBc。

1)由矢量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生上升時(shí)間1.75μs、下降時(shí)間2.25μs、半幅點(diǎn)寬度4.0μs的高斯雙脈沖調(diào)制信號(hào)。

a)中心頻率1GHz,偏離±0.8MHz的500kHz帶寬內(nèi)功率譜如圖2所示。

b)中心頻率1GHz,偏離±2.0MHz的500kHz帶寬內(nèi)功率譜如圖3所示。

2)由矢量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生上升時(shí)間2.25μs、下降時(shí)間2.75μs、半幅點(diǎn)寬度4.0μs的高斯雙脈沖信號(hào)。

a)中心頻率1GHz,偏離±0.8MHz的500kHz帶寬內(nèi)功率譜如圖4所示。

b)中心頻率1GHz,偏離±2.0MHz的500kHz帶寬內(nèi)功率譜如圖5所示。

3)由矢量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生上升時(shí)間2.25μs、下降時(shí)間2.75μs、半幅點(diǎn)寬度4.0μs的矩形雙脈沖信號(hào)。

a)中心頻率1GHz,偏離±0.8MHz的500kHz帶寬內(nèi)功率譜如圖6所示。

b)中心頻率1GHz,偏離±2.0MHz的500kHz帶寬內(nèi)功率譜如圖7所示。

4)由微波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生上升/下降時(shí)間約10ns的矩形雙脈沖信號(hào)。

a)中心頻率1GHz,偏離±0.8MHz的500kHz帶寬內(nèi)功率譜如圖8所示。

b)中心頻率1GHz,偏離±2.0MHz的500kHz帶寬內(nèi)功率譜如圖9所示。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

測(cè)試的數(shù)據(jù)及結(jié)果分析見表2。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論:

1)上升時(shí)間、下降時(shí)間和脈沖寬度一樣的高斯雙脈沖和矩形雙脈沖所占用的功率頻譜寬度基本相同,且都能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;

2)在上升時(shí)間、下降時(shí)間和寬度相等的條件下,高斯雙脈沖的功率頻譜收斂要快于矩形雙脈沖,近端800kHz處約低12dB,遠(yuǎn)端2MHz處約低1dB,與前面時(shí)域函數(shù)傅里葉變換分析一致;

3)微波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的矩形雙脈沖調(diào)制信號(hào)由于上升時(shí)間、下降時(shí)間太快,所占用的頻產(chǎn)生譜寬度遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)使用帶脈沖調(diào)制的模擬信號(hào)源替代高斯脈沖源調(diào)試DME系統(tǒng)或類似的多通道系統(tǒng)時(shí),不僅要考慮脈沖調(diào)制信號(hào)的幅度、寬度和間隔參數(shù),還應(yīng)注意脈沖的前沿、后沿對(duì)鄰近信道的干擾。如果用矩形脈沖替代高斯脈沖做調(diào)制信號(hào),必須控制脈沖信號(hào)調(diào)制波形的上升、下降沿在一個(gè)合理的范圍,只有這樣才能獲得被測(cè)設(shè)備的真實(shí)性能參數(shù),特別是在脈沖沿的最快和最慢兩個(gè)極端條件分別測(cè)試測(cè)距設(shè)備的信道干擾和測(cè)距精度,這對(duì)于窄帶、多通道系統(tǒng)尤為重要。

[1] 馬存寶,張?zhí)靷?李紅娟等.民機(jī)通信導(dǎo)航與雷達(dá)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2012.

[2] MH/T 4006.3—1998,民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)民航出版社,1998.

[3] GJB 914—90,中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),1991.

[3] 吳大正,楊林耀,張永瑞等.信號(hào)與線性系統(tǒng)分析[M].北京:高等教育出版社,2005.

[4] 劉明亮,陸福敏,朱江淼等.現(xiàn)代脈沖計(jì)量[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

Analysis of the Influence of the Waveform Parameters of DME Pulse Modulation Signal on the Spatial Spectrum Occupancy

FANG Cheng
(College of Information Science and Technology,Northwest University,Xi’an 710127,China)

The DME signal of Gauss double pulse modulation format is applied to the development, debugging and performance verification of DME system.Because of the complexity and high cost of the special DME signal simulator,research staff often use the analog signal source with fast dual pulse modulation instead.Based on DME signal requirements,this paper analyzed the possible problems of this substitution,and verified the power spectrum occupancy of Gauss double pulse and rectangular pulse modulation signals under different edge of pulse conditions by experimental tests.The results are consistent with the analysis,indicating the substitution has its limitations.

Gauss double pulse Rectangular double pulse Rise and fall times Power spectrum

1000-7202(2017)01-0019-06

TN935.2,TN966.4

A

2017-02-23,

2017-02-25

方成(1989-),男,碩士研究生,主要研究方向:信號(hào)測(cè)量與電路設(shè)計(jì)技術(shù)。