DME脈沖調制信號波形參數對空間頻譜占用的影響分析

方 成

(西北大學信息科學與技術學院,西安710127)

DME脈沖調制信號波形參數對空間頻譜占用的影響分析

方 成

(西北大學信息科學與技術學院,西安710127)

航空測距器DME的開發、調試和性能驗證都要用到高斯雙脈沖調制格式的DME信號。由于專用的DME信號模擬器技術復雜、價格昂貴,人們常用具有快沿雙脈沖調制功能的模擬信號源替代。本文以航空測距器DME信號要求為依據,初步分析了這種替代可能存在的問題,并通過實驗對不同邊沿條件下高斯雙脈沖、矩形雙脈沖調制信號的功率頻譜占用情況進行了驗證。

高斯雙脈沖 矩形雙脈沖 上升、下降時間 功率譜

1 引 言

脈沖調制與解調技術被廣泛應用在導航、雷達和通信領域。隨著儀器技術的發展,帶有脈沖調制的信號源也被大量應用到上述領域的產品研發、調試和性能驗證中。但人們在選用脈沖調制信號源做標準時往往把波形參數的重點放在幅度、脈寬和周期等方面,而忽視或放棄對脈沖上升沿和下降沿指標的要求。這樣做有很大一部分原因是脈沖上升沿和下降沿可調的射頻信號源較少,而矢量信號源需要通過波形文件編輯—數字基帶源—I/Q調制的方法才能實現,但編輯產生波形文件較復雜。許多科研人員用帶有脈沖調制功能的模擬信號源,往往也能獲得想要的結果,這就產生一種假象:脈沖上升和下降時間并非那么重要。作為通用儀器,模擬信號源脈沖調制器的上升和下降沿指標標志著信號源的脈沖調制能力,即越快越好。目前許多高端信號源的脈沖調制上升時間在ns量級,且固定不可調。如果用這種脈沖調制信號源去測試窄帶多通道系統時,不僅會導致鄰道干擾而且還會降低其測試條件。

測距器DME(Distance Measuring Equipment)又稱脈沖近程測距導航系統,用在商業和通用航空領域,為飛機提供距離機場信息[1]。它由地面信標臺和機載設備組成,采取詢問應答工作方式,工作在(962～1 213)MHz頻段,分X、Y模式[1]。在這個頻段,機載設備詢問頻率波道126個,間隔為1MHz;地面臺應答頻率波道252個,間隔也為1MHz。詢問、應答頻道中心頻率相差63MHz。

本文以DME信號要求為依據,分析了高斯雙脈沖、矩形雙脈沖調制信號的能量頻譜分布,并通過試驗測試了信號前后沿改變時,不同波形信號能量頻譜的變化,其結果對相關產品的開發、維護和測試等工程應用具有較好的指導與借鑒作用。

2 DME信號的時域函數表達式、波形參數要求

DME系統工作時地面信標臺和機載設備都互發射相同包絡形狀的射頻脈沖對。在脈沖對的第一個脈沖前沿上,相當于該脈沖最大幅度50%的點稱之為定時點。DME系統的地面信標臺和機載設備都是以收到對方脈沖對的定時點為計算距離的時間參考點,所以脈沖定時點的解算精度是DME系統接收機的主要誤差源之一。對于脈沖時域測量電路,脈沖沿越陡,幅度測量誤差對時間測量的影響越小,距離測量準確度越高,但其頻譜也越寬,對鄰道干擾也會越大。所以為了壓縮信號頻譜寬度,減少鄰道干擾,同時還要保證距離解算準確度,DME信號的脈沖包絡波形參數必須控制在一個合理的范圍。

民用航空行業標準和國家軍用標準都對DME信號的脈沖包絡波形做出規定:脈沖波形都為鐘形脈沖,脈沖頂部的瞬時幅度應不低于該脈沖最大幅度的95%[2]。較為理想的波形包絡參數如下:

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

標準DME高斯雙脈沖的頻譜函數如下:

設高斯單脈沖時域函數:

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為:

脈沖間隔為c的等幅高斯雙脈沖時域函數可寫成:

即:

根據傅里葉變換的線性和時移特性可得高斯雙脈沖的頻譜函數:

在室內進行DME系統的接收機測試時使用的DME信號模擬器產生信號的波形不僅要與標準相近,而且邊緣條件也應該可調整,調整范圍覆蓋標準允許范圍。有時候為了降低測試成本,常用具有矩形雙脈沖調制功能的模擬信號源替代DME模擬器。這種信號源通常采用開關通斷的原理實現射頻信號的脈沖調制,內部具有快速的脈沖調制器和調制源,產生的脈沖調制信號上升、下降沿非常快,一般在ns量級,且不可調整,無形中降低了測試條件。模擬信號源產生的矩形雙脈沖頻譜函數如下:

設矩形單脈沖為寬度τ的門函數,時域函數:

則其頻譜函數:

脈沖間隔為c的矩形雙脈沖時域函數:

則其頻譜函數:

3 兩種模擬DME信號的能量譜分析

比較高斯脈沖與矩形脈沖的頻域表達式可以發現,高斯脈沖的頻譜函數具有負平方指數形式,這表明在頻域上,它的上升和下降趨勢要比矩形脈沖快,即在同樣的脈寬和同樣的上升、下降時間,信號所占的頻帶寬度要窄,收斂要快。以測試DME系統地面臺接收機需要測試信號具有機載詢問信號的特征為例,通過實驗來觀察DME信號包絡的上升、下降時間與其能量譜的分布關系。

民航標準對DME機載設備詢問信號頻譜要求:以偏離頻道標稱頻率±0.8MHz的頻率為中心的各自±0.25MHz帶寬內所包含的能量比頻道標稱頻率為中心的±0.25MHz帶寬內所包含的能量至少低23dB;以偏離頻道標稱頻率±2.0MHz的頻率為中心的各自±0.25MHz帶寬內包含的能量比頻道標稱頻率為中心的±0.25MHz帶寬內所包含的能量至少低38dB[3];頻譜的每個波瓣應小于靠近頻道標稱頻率的那個鄰瓣。為了驗證這種信號源替代帶來的影響,本文做了以下三種測試:

1)高斯雙脈沖波形,上升、下降沿符合標準要求的DME信號的能量譜分布;

2)矩形雙脈沖波形,上升、下降沿符合標準要求的DME信號的能量譜分布;

3)矩形雙脈沖波形,上升、下降沿遠快于標準的DME信號的能量譜分布。

由于信號f(t)的能量E與頻譜函數的關系有:

因此,可以把本文討論的信號能量測量轉換成功率譜求和,即帶內總功率測量。

4 測試驗證

4.1 測試所用儀器

測試儀器詳細信息見表1。

表1 測試儀器詳細信息

測試過程示意圖如圖1所示。

4.2 測試過程

4.2.1 信號產生

依據DME信號標準用Matlab編制或由R/S公司的脈沖序列軟件K300/K301產生不同上升、下降時間的高斯雙脈沖和矩形雙脈沖波形文件,下載到矢量信號發生器SMW200A內部的數字基帶源中,產生以下三個調制信號:

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

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

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

設置微波信號發生器SMF100A內部脈沖調制為雙脈沖,脈沖間隔12μs,半幅點寬度 4.0μs、上升/下降時間取決SMF200A信號發生器內部的脈沖調制源和調制器,標稱值≤10ns。

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

4.2.2 測試結果

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

1)由矢量信號發生器產生上升時間1.75μs、下降時間2.25μs、半幅點寬度4.0μs的高斯雙脈沖調制信號。

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

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

2)由矢量信號發生器產生上升時間2.25μs、下降時間2.75μs、半幅點寬度4.0μs的高斯雙脈沖信號。

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

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

3)由矢量信號發生器產生上升時間2.25μs、下降時間2.75μs、半幅點寬度4.0μs的矩形雙脈沖信號。

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

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

4)由微波信號發生器產生上升/下降時間約10ns的矩形雙脈沖信號。

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

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

5 試驗數據及分析

測試的數據及結果分析見表2。

表2 測試數據

通過測試數據可以得出以下結論:

1)上升時間、下降時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,且都能滿足標準要求;

2)在上升時間、下降時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,遠端2MHz處約低1dB,與前面時域函數傅里葉變換分析一致;

3)微波信號發生器產生的矩形雙脈沖調制信號由于上升時間、下降時間太快,所占用的頻產生譜寬度遠超出標準要求。

6 結束語

當使用帶脈沖調制的模擬信號源替代高斯脈沖源調試DME系統或類似的多通道系統時,不僅要考慮脈沖調制信號的幅度、寬度和間隔參數,還應注意脈沖的前沿、后沿對鄰近信道的干擾。如果用矩形脈沖替代高斯脈沖做調制信號,必須控制脈沖信號調制波形的上升、下降沿在一個合理的范圍,只有這樣才能獲得被測設備的真實性能參數,特別是在脈沖沿的最快和最慢兩個極端條件分別測試測距設備的信道干擾和測距精度,這對于窄帶、多通道系統尤為重要。

[1] 馬存寶,張天偉,李紅娟等.民機通信導航與雷達[M].西安:西北工業大學出版社,2012.

[2] MH/T 4006.3—1998,民用航空行業標準[S].北京:中國民航出版社,1998.

[3] GJB 914—90,中華人民共和國國家軍用標準[S].北京:國防科學技術工業委員會,1991.

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

[4] 劉明亮,陸福敏,朱江淼等.現代脈沖計量[M].北京:科學出版社,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:信號測量與電路設計技術。