鄭鵬斌，李昭春

（1.海南省氣象探測中心，海南海口 570203；2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南?？?570203）

我國目前已經(jīng)部署了超過200 部新一代天氣雷達(dá)（以下簡稱“天氣雷達(dá)”），在預(yù)報服務(wù)、災(zāi)害性天氣預(yù)警跟蹤方面發(fā)揮著重要的作用。天氣雷達(dá)標(biāo)定的準(zhǔn)確與否決定了其數(shù)據(jù)質(zhì)量，進(jìn)一步?jīng)Q定了天氣預(yù)報的質(zhì)量。邵楠等[1-7]從數(shù)據(jù)質(zhì)量的需求出發(fā)，在多個方面對天氣雷達(dá)標(biāo)定技術(shù)以及故障診斷技術(shù)進(jìn)行了研究。在天氣雷達(dá)標(biāo)定中，頻譜儀有著不可代替的作用，可測量發(fā)射機(jī)輸出頻譜、極限改善因子以及接收機(jī)噪聲系數(shù)，并且在故障診斷時，可通過分析被測信號頻率、功率以及頻譜信息，達(dá)到故障定位的目的。周秀珍等[8-16]從理論到實(shí)際對頻譜儀進(jìn)行了研究，已在各行各業(yè)投入使用。

在天氣雷達(dá)標(biāo)定業(yè)務(wù)中，往往用不到臺式標(biāo)準(zhǔn)頻譜儀的所有功能，并且臺式標(biāo)準(zhǔn)頻譜儀比較笨重，運(yùn)輸不便。借鑒以往在天氣雷達(dá)標(biāo)定過程中使用臺式標(biāo)準(zhǔn)頻譜儀的經(jīng)驗(yàn)，基于是德科技的M9391A 頻譜分析板卡，開發(fā)了一臺專用于天氣雷達(dá)標(biāo)定的便攜式頻譜儀。該頻譜儀針對天氣雷達(dá)定標(biāo)的需求，對各類指標(biāo)的測量方法進(jìn)行了定制，方便用于天氣雷達(dá)標(biāo)定。

1 總體設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)基于是德科技M9391A 頻譜分析板卡和官方驅(qū)動，設(shè)計(jì)了頻譜功能軟面板和噪聲系數(shù)測量軟面板，用于設(shè)置參數(shù)以及顯示測量波形和結(jié)果[17-18]；開發(fā)了驅(qū)動管理程序，用于調(diào)動官方程序控制硬件資源對被測信號進(jìn)行測量?？傮w框架如圖1 所示。

圖1 總體框圖

2 M9391A簡介

該設(shè)計(jì)采用是德科技的M9391A 頻譜分析板卡作為硬件采集模塊，其具備頻率分辨率為0.001 Hz、最大分析帶寬為160 MHz、頻率范圍為1 MHz～6 GHz的頻譜分析能力。M9391A板卡由M9300A參考頻率、M9301A 頻率合成器、M9350A 下變頻器和M9214A中頻處理器四部分組成?？紤]到成本，該設(shè)計(jì)采用恒溫晶體振蕩器SOXO18B 代替M9300A 作為參考頻率，硬件連接圖如圖2 所示。SOXO18B 提供100 MHz參考頻率給頻率合成器，經(jīng)頻率合成器內(nèi)部的鎖相環(huán)和濾波器組處理，可輸出頻率為0.187 5～6 GHz、功率為-10～+10 dBm 的射頻本振信號，M9350A 將射頻測試信號與本振信號進(jìn)行下變頻處理，得出的中頻信號傳送給M9214A 進(jìn)行數(shù)字化處理，從而得到測量數(shù)據(jù)。

圖2 M9391A組成

3 軟面板設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的軟面板分為頻譜測量軟面板和噪聲系數(shù)測量軟面板。頻譜測量軟面板的各功能如下：Fre功能的Center Frequency、Start Frequency、Stop Frequency 可設(shè)置頻譜的中心頻率、起始頻率和截止頻率；Span 用于設(shè)置頻率的掃描帶寬；Amptd 功能下的Ref Level 用于設(shè)置頻譜儀參考電平并同時設(shè)置波形圖Y軸的最大值，Range 用于設(shè)置波形圖Y軸顯示范圍，Auto Once 根據(jù)當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)由程序計(jì)算Y軸顯示范圍；RBW 用于設(shè)置頻譜儀分辨率帶寬，而Auto RBW 用于設(shè)置頻譜儀分辨率帶寬為自動模式，其值為Span/1 000；Trace 功能下的Clear 用于清除Trace 狀態(tài)，Average 用于設(shè)置波形平均次數(shù)，Max Hold 用于設(shè)置最大保持；Trigger 用于設(shè)置頻譜儀觸發(fā)電平，F(xiàn)ree Run 用于設(shè)置頻譜儀觸發(fā)模式為自由觸發(fā)；Reset 用于重置頻譜儀設(shè)置參數(shù)；PeakSearch 用于查找信號的峰值，并用游標(biāo)在波形圖上標(biāo)識出來；Marker 功能下共有4 組Marker，每組Marker 有兩個游標(biāo)，分別為主游標(biāo)和Delta 游標(biāo)。噪聲系數(shù)測量軟面板的各功能如下：Frequency 功能下的Mode 用于設(shè)置點(diǎn)頻或掃頻模式，IFFrequency 用于設(shè)置中頻頻率，Show Mode 可設(shè)置噪聲系數(shù)為固定頻點(diǎn)、波形、列表的形式；DUT 用于設(shè)置被測器件的類型，分為放大器、上變頻器、下變頻器；SNR Table 用于設(shè)置超噪比；Calibrate 用于噪聲源的校準(zhǔn)；Average 用于設(shè)置平均功能的開關(guān)以及平均的次數(shù)。

4 驅(qū)動管理程序設(shè)計(jì)

按照新一代天氣雷達(dá)標(biāo)定規(guī)范，頻譜儀需要具備頻譜、譜寬測量和噪聲系數(shù)測量兩項(xiàng)功能才能完成標(biāo)定業(yè)務(wù)。為保證兼容性，需要借助M9391A 官方驅(qū)動程序重新編寫驅(qū)動管理程序。官方驅(qū)動由AgM90XA 驅(qū)動、AgM9391 驅(qū)動和KtXSAnNoiseFigure驅(qū)動3 部分組成。AgM90XA 驅(qū)動為頻譜儀模塊的中間驅(qū)動層，無法直接調(diào)用該驅(qū)動完成頻譜儀驅(qū)動程序的編寫，但需要該驅(qū)動完成所有控制指令的轉(zhuǎn)發(fā)，因此在驅(qū)動程序初始化時必須啟動該驅(qū)動程序；AgM9391 驅(qū)動程序?yàn)轭l譜儀模塊實(shí)際控制程序，所有的頻譜儀模塊的操作最終均需由此完成，但該驅(qū)動未實(shí)現(xiàn)噪聲系數(shù)測試功能；噪聲系數(shù)測試功能由KtXSAnNoiseFigure 驅(qū)動通過連接到AgM90XA 驅(qū)動完成。

4.1 頻譜驅(qū)動管理程序設(shè)計(jì)

頻譜測量模塊通過調(diào)用AgM90XA 驅(qū)動程序中的AgM9391 驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)頻譜測試功能，主要用于雷達(dá)發(fā)射信號的譜寬、極限改善因子的測量，圖3 給出了頻譜測試功能的設(shè)計(jì)流程圖以及所調(diào)用的接口。

圖3 頻譜功能的設(shè)計(jì)流程以及所調(diào)用的接口

在調(diào)用Initialize 接口完成初始化后，頻譜儀模塊可以選擇工作在3 種模式下，分別為Spectrum、IQ和Power，通過調(diào)用AcquisitionMode 設(shè)置工作模式為頻譜模式。調(diào)用RF.Frequency 設(shè)置頻譜儀模塊的中心頻率前需要對設(shè)置的頻率進(jìn)行校驗(yàn)，防止設(shè)置的中心頻率處于頻譜儀模塊的工作頻率范圍之外。頻譜儀模塊通過設(shè)置參考電平來改變內(nèi)部的放大器大小，提高頻譜儀模塊的動態(tài)范圍，調(diào)用RF.Power 設(shè)置頻譜儀模塊的參考電平之前對設(shè)置的參考電平進(jìn)行校驗(yàn)，防止設(shè)置的參考電平不被頻譜儀模塊支持。

調(diào)用SpectrumAcquisition.Configure 設(shè)置頻譜采集參數(shù)（Span 和RBW）之前需要對設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，對于頻跨，設(shè)置值不能太小，亦不能大于頻譜儀的工作頻率范圍；對于分析帶寬，將分析帶寬和視頻帶寬設(shè)置為相同值，即fRBW=fVBW，其值不能小于1且不能超過當(dāng)前設(shè)置的頻跨，同時考慮到頻譜儀采集速度，在設(shè)計(jì)分析帶寬時限制了可輸入的范圍即限制了頻跨與分析帶寬的比值，其關(guān)系如下：

調(diào)用Triggers.AcquisitionTrigger.Mode 設(shè)置頻譜儀的觸發(fā)模式為立即觸發(fā)，等待頻譜儀模塊數(shù)據(jù)采集完成從AgM9391 驅(qū)動中獲取采集到的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)置的采集方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?？墒褂玫牟杉绞椒謩e為原始數(shù)據(jù)顯示、平均、最大保持，其中采用平均的采集方式可以很大程度減小隨機(jī)噪聲對測試結(jié)果的影響。該設(shè)計(jì)采用滑動平均的算法，即該次所采集的數(shù)據(jù)與上一次已經(jīng)平均過的數(shù)據(jù)進(jìn)行比例相加，其公式如下：

其中，X為新采集到的波形數(shù)據(jù)，Avg[i-1] 為上次平均后的數(shù)據(jù)，N為平均次數(shù)。

4.2 噪聲系數(shù)驅(qū)動管理程序設(shè)計(jì)

噪聲系數(shù)測試模塊通過調(diào)用KtXSAnNoise Figure 驅(qū)動完成噪聲系數(shù)功能，用以測量天氣雷達(dá)接收機(jī)的噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)流程及調(diào)用接口如圖4 所示。

圖4 噪聲系數(shù)功能的設(shè)計(jì)流程

1）設(shè)置噪聲源工作模式

Corrections.ENR.SNSSetup.NoiseSourceState 接口用于設(shè)置噪聲源的工作模式，其可設(shè)置為冷熱態(tài)模式和自動模式。當(dāng)噪聲源處于冷熱態(tài)模式時，表示用戶需要手動控制噪聲源關(guān)或開，驅(qū)動程序不再進(jìn)行后面的流程，采用該模式需與雷達(dá)軟件相配合，完成整個接收通道（模擬段、數(shù)字段）的噪聲系數(shù)測量。當(dāng)噪聲源為自動模式時，可自行控制噪聲源開關(guān)，用以完成模擬接收通道噪聲系數(shù)測量。

2）設(shè)置頻率

射頻工作頻率fRF可設(shè)置為點(diǎn)頻和掃頻兩種模式。通過Frequency.Fixed 接口設(shè)置fRF為點(diǎn)頻模式，調(diào)用Frequency.Center 和Frequency.Span 可設(shè)置為掃頻模式。另SweepCoupling.SweepPoint 可用以設(shè)置掃描點(diǎn)數(shù)。

3）設(shè)置噪聲系數(shù)測試的測量模式

通過DUTSetup.Type 接口設(shè)置噪聲系數(shù)測試的測量模式。噪聲系數(shù)測試共有3 種測量模式，分別為放大器模式、上變頻模式和下變頻模式。當(dāng)選擇放大器模式時，噪聲系數(shù)測試無需再設(shè)置其他參數(shù)，準(zhǔn)備開始噪聲源的校準(zhǔn)。當(dāng)噪聲系數(shù)測試處于上變頻模式或者下變頻模式時，需要設(shè)置噪聲系數(shù)測試的邊帶模式、本振頻率、中頻頻率，當(dāng)為下變頻模式時，分別通過調(diào)用DUTSetup.DownConverter.Sideband、DUTSetup.DownConverter.LOFrequency、D UTSetup.DownConverter.IFFrequency 接口設(shè)置邊帶模式、本振頻率和中頻頻率，而當(dāng)為上變頻模式時，則是通過DUTSetup.UpConverter.Sideband、DUTSetup.UpConverter.LOFrequency、DUTSetup.UpConverter.IF Frequency 接口來實(shí)現(xiàn)。

4）校 準(zhǔn)

參數(shù)設(shè)置完成后，根據(jù)用戶選擇是否開始對噪聲源進(jìn)行校準(zhǔn)，通過Calibration.Initiate 接口對噪聲源進(jìn)行校準(zhǔn)。

5）讀取數(shù)據(jù)

校準(zhǔn)完成后讀取頻譜儀模塊的測量結(jié)果，根據(jù)是否完成校準(zhǔn)調(diào)用不同的接口讀取測試結(jié)果，如完成校準(zhǔn)通過Trace.ArrayData.FetchUncorrected 接口獲取數(shù)據(jù)，若未完成校準(zhǔn)則通過Trace.ArrayData.FetchCorrected 接口獲取數(shù)據(jù)。

5 雷達(dá)指標(biāo)測量

在天氣雷達(dá)年度標(biāo)定中，需要使用到頻譜儀項(xiàng)目的有3 項(xiàng)：發(fā)射機(jī)輸出頻譜及譜寬測量、發(fā)射機(jī)輸入輸出極限改善因子測量、接收機(jī)噪聲系數(shù)測量。

5.1 發(fā)射機(jī)輸出頻譜及脈寬測量

采用該設(shè)計(jì)的頻譜測量功能可完成發(fā)射機(jī)輸出頻譜及譜寬測量。在測量譜寬時，需設(shè)置采集方式為最大保持：首先存儲歷史數(shù)據(jù)，判斷現(xiàn)有數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)長度是否一致，若不一致，意味著參數(shù)已修改，則清除歷史數(shù)據(jù)，從現(xiàn)有數(shù)據(jù)開始做最大保持；若一致，則把歷史數(shù)據(jù)的每一個點(diǎn)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)的每一個點(diǎn)做對比，取較大值。該設(shè)計(jì)可自動讀取標(biāo)定所需要的偏移功率-60～-10 dB 的譜寬，即譜寬讀取功能：根據(jù)Span 和RBW 可知采樣點(diǎn)數(shù)，把每一個采樣點(diǎn)編號，已知第一個點(diǎn)的頻率值和每相鄰兩個點(diǎn)之間的頻率差值Δf，即可根據(jù)編號得知每個點(diǎn)的頻率值。譜寬計(jì)算分左譜寬和右譜寬，左譜寬的計(jì)算方法：先找到頻譜功率最大值的點(diǎn)的編號X，找出從第一個點(diǎn)到X點(diǎn)的所有偏移功率值且為上升沿經(jīng)過的點(diǎn)，取得編號最大值Y，用X減去Y得到值Z，Δf與Z相乘即可得到此偏移功率值的左譜寬。右譜寬的計(jì)算方法：先找到頻譜功率最大值的編號A，找出從第A點(diǎn)到最后一個點(diǎn)的所有偏移功率值且為下降沿經(jīng)過的點(diǎn)，取得編號最小值B，用B減去A得到值C，Δf與C相乘即可得到此偏移功率值的右譜寬。左譜寬與右譜寬相加即可得到此偏移功率值的譜寬。

5.2 發(fā)射機(jī)輸入輸出極限改善因子測量

極限改善因子是反映信號在一定條件下的信號功率譜與噪聲功率譜之間的關(guān)系，采用該設(shè)計(jì)的頻譜測量功能可完成發(fā)射機(jī)輸入輸出極限改善因子測量。極限改善因子和信噪比的關(guān)系如下：

其中，I為極限改善因子，S/N為信噪比（dB），B為頻譜儀分析帶寬（Hz），F(xiàn)為雷達(dá)重復(fù)頻率（Hz）。利用該頻譜儀對某天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)的輸入極限改善因子進(jìn)行實(shí)際測量，首先在面板上輸入測量參數(shù)：中心頻率為2.96 GHz，Span 為2 kHz，RBW 為3 Hz，調(diào)整參考電平至合理位置，讀取信噪比。例如重復(fù)頻率為644 Hz 的發(fā)射機(jī)輸入信噪比為75.24 dB，可算出輸入極限改善因子為51.92 dB。在測量過程中需注意發(fā)射機(jī)速調(diào)管的輸入信號功率大約為2 W，而該頻譜儀的最大輸入功率為1 W，需要在測量端加至少6 dB 的衰減器，以保證頻譜儀的安全。

5.3 接收機(jī)噪聲系數(shù)測量

接收機(jī)噪聲系數(shù)表征的是接收通道輸入與輸出的信噪比的值。在整個接收通道中，越前端的器件對噪聲系數(shù)的影響越大[19]。根據(jù)標(biāo)定規(guī)范，天氣雷達(dá)中一般采用Y 因子方法測量整個接收通道噪聲系數(shù)，即在接收系統(tǒng)前端連接噪聲源，分別在噪聲源冷態(tài)（關(guān)閉噪聲源電源）和熱態(tài)（打開噪聲源電源）時測量接收系統(tǒng)的輸出噪聲功率P1和P2，計(jì)算公式為：

其中，ENR 為噪聲源超噪比（dB），P1為斷開噪聲源的讀數(shù)（mW），P2為接通噪聲源的讀數(shù)（mW），NF為噪聲系數(shù)（dB）。在實(shí)際應(yīng)用中，為更好地了解接收通道器件的性能，特別是低噪聲放大器的噪聲性能和增益性能，一般采取DUT 方法測量模擬通道的噪聲系數(shù)。以采用下變頻模式的某雷達(dá)為例，在測量噪聲系數(shù)之前，需對噪聲源進(jìn)行標(biāo)校：設(shè)置模式為下變頻模式，邊帶模式為上邊帶，本振頻率為2.960 245 GHz，中頻頻率為57.55 MHz，然后進(jìn)行噪聲源校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成后，噪聲源連接至低噪聲放大器的前端，通過專用的+28 V 電源供電，信號處理器的輸入端連接至頻譜儀，讀取噪聲系數(shù)值。

6 結(jié)論

該頻譜儀根據(jù)天氣雷達(dá)標(biāo)定的要求，定制設(shè)計(jì)了頻譜測量功能、噪聲系數(shù)測量功能，在實(shí)際的測量中可準(zhǔn)確測量天氣雷達(dá)的發(fā)射機(jī)輸入和輸出的頻譜、譜寬、極限改善因子以及接收通道的噪聲系數(shù)，用于天氣雷達(dá)年維護(hù)標(biāo)定和年巡檢標(biāo)定。在頻譜儀使用過程中，需對天氣雷達(dá)系統(tǒng)的輸出信號特性較為了解，以便于設(shè)置測量參數(shù)和防止燒毀頻譜儀。