DME脉冲调制信号波形参数对空间频谱占用的影响分析

方 成

(西北大学信息科学与技术学院,西安710127)

DME脉冲调制信号波形参数对空间频谱占用的影响分析

方 成

(西北大学信息科学与技术学院,西安710127)

航空测距器DME的开发、调试和性能验证都要用到高斯双脉冲调制格式的DME信号。由于专用的DME信号模拟器技术复杂、价格昂贵,人们常用具有快沿双脉冲调制功能的模拟信号源替代。本文以航空测距器DME信号要求为依据,初步分析了这种替代可能存在的问题,并通过实验对不同边沿条件下高斯双脉冲、矩形双脉冲调制信号的功率频谱占用情况进行了验证。

高斯双脉冲 矩形双脉冲 上升、下降时间 功率谱

1 引 言

脉冲调制与解调技术被广泛应用在导航、雷达和通信领域。随着仪器技术的发展,带有脉冲调制的信号源也被大量应用到上述领域的产品研发、调试和性能验证中。但人们在选用脉冲调制信号源做标准时往往把波形参数的重点放在幅度、脉宽和周期等方面,而忽视或放弃对脉冲上升沿和下降沿指标的要求。这样做有很大一部分原因是脉冲上升沿和下降沿可调的射频信号源较少,而矢量信号源需要通过波形文件编辑—数字基带源—I/Q调制的方法才能实现,但编辑产生波形文件较复杂。许多科研人员用带有脉冲调制功能的模拟信号源,往往也能获得想要的结果,这就产生一种假象:脉冲上升和下降时间并非那么重要。作为通用仪器,模拟信号源脉冲调制器的上升和下降沿指标标志着信号源的脉冲调制能力,即越快越好。目前许多高端信号源的脉冲调制上升时间在ns量级,且固定不可调。如果用这种脉冲调制信号源去测试窄带多通道系统时,不仅会导致邻道干扰而且还会降低其测试条件。

测距器DME(Distance Measuring Equipment)又称脉冲近程测距导航系统,用在商业和通用航空领域,为飞机提供距离机场信息[1]。它由地面信标台和机载设备组成,采取询问应答工作方式,工作在(962～1 213)MHz频段,分X、Y模式[1]。在这个频段,机载设备询问频率波道126个,间隔为1MHz;地面台应答频率波道252个,间隔也为1MHz。询问、应答频道中心频率相差63MHz。

本文以DME信号要求为依据,分析了高斯双脉冲、矩形双脉冲调制信号的能量频谱分布,并通过试验测试了信号前后沿改变时,不同波形信号能量频谱的变化,其结果对相关产品的开发、维护和测试等工程应用具有较好的指导与借鉴作用。

2 DME信号的时域函数表达式、波形参数要求

DME系统工作时地面信标台和机载设备都互发射相同包络形状的射频脉冲对。在脉冲对的第一个脉冲前沿上,相当于该脉冲最大幅度50%的点称之为定时点。DME系统的地面信标台和机载设备都是以收到对方脉冲对的定时点为计算距离的时间参考点,所以脉冲定时点的解算精度是DME系统接收机的主要误差源之一。对于脉冲时域测量电路,脉冲沿越陡,幅度测量误差对时间测量的影响越小,距离测量准确度越高,但其频谱也越宽,对邻道干扰也会越大。所以为了压缩信号频谱宽度,减少邻道干扰,同时还要保证距离解算准确度,DME信号的脉冲包络波形参数必须控制在一个合理的范围。

民用航空行业标准和国家军用标准都对DME信号的脉冲包络波形做出规定:脉冲波形都为钟形脉冲,脉冲顶部的瞬时幅度应不低于该脉冲最大幅度的95%[2]。较为理想的波形包络参数如下:

上升时间:(2.0±0.25)μs,下降时间:(2.5± 0.5)μs,半幅点宽度:(3.5±0.5)μs,脉冲间隔: 12μs(X模式)、36μs(Y模式)。

标准DME高斯双脉冲的频谱函数如下:

设高斯单脉冲时域函数:

式中:σ——高斯脉冲陡度,近似于等幅度矩形面积的半宽度。

则,高斯脉冲的频谱函数为:

脉冲间隔为c的等幅高斯双脉冲时域函数可写成:

即:

根据傅里叶变换的线性和时移特性可得高斯双脉冲的频谱函数:

在室内进行DME系统的接收机测试时使用的DME信号模拟器产生信号的波形不仅要与标准相近,而且边缘条件也应该可调整,调整范围覆盖标准允许范围。有时候为了降低测试成本,常用具有矩形双脉冲调制功能的模拟信号源替代DME模拟器。这种信号源通常采用开关通断的原理实现射频信号的脉冲调制,内部具有快速的脉冲调制器和调制源,产生的脉冲调制信号上升、下降沿非常快,一般在ns量级,且不可调整,无形中降低了测试条件。模拟信号源产生的矩形双脉冲频谱函数如下:

设矩形单脉冲为宽度τ的门函数,时域函数:

则其频谱函数:

脉冲间隔为c的矩形双脉冲时域函数:

则其频谱函数:

3 两种模拟DME信号的能量谱分析

比较高斯脉冲与矩形脉冲的频域表达式可以发现,高斯脉冲的频谱函数具有负平方指数形式,这表明在频域上,它的上升和下降趋势要比矩形脉冲快,即在同样的脉宽和同样的上升、下降时间,信号所占的频带宽度要窄,收敛要快。以测试DME系统地面台接收机需要测试信号具有机载询问信号的特征为例,通过实验来观察DME信号包络的上升、下降时间与其能量谱的分布关系。

民航标准对DME机载设备询问信号频谱要求:以偏离频道标称频率±0.8MHz的频率为中心的各自±0.25MHz带宽内所包含的能量比频道标称频率为中心的±0.25MHz带宽内所包含的能量至少低23dB;以偏离频道标称频率±2.0MHz的频率为中心的各自±0.25MHz带宽内包含的能量比频道标称频率为中心的±0.25MHz带宽内所包含的能量至少低38dB[3];频谱的每个波瓣应小于靠近频道标称频率的那个邻瓣。为了验证这种信号源替代带来的影响,本文做了以下三种测试:

1)高斯双脉冲波形,上升、下降沿符合标准要求的DME信号的能量谱分布;

2)矩形双脉冲波形,上升、下降沿符合标准要求的DME信号的能量谱分布;

3)矩形双脉冲波形,上升、下降沿远快于标准的DME信号的能量谱分布。

由于信号f(t)的能量E与频谱函数的关系有:

因此,可以把本文讨论的信号能量测量转换成功率谱求和,即带内总功率测量。

4 测试验证

4.1 测试所用仪器

测试仪器详细信息见表1。

表1 测试仪器详细信息

测试过程示意图如图1所示。

4.2 测试过程

4.2.1 信号产生

依据DME信号标准用Matlab编制或由R/S公司的脉冲序列软件K300/K301产生不同上升、下降时间的高斯双脉冲和矩形双脉冲波形文件,下载到矢量信号发生器SMW200A内部的数字基带源中,产生以下三个调制信号:

1)脉冲间隔12μs,上升时间1.75μs、下降时间2.25μs、半幅点宽度4.0μs的高斯双脉冲基带信号;

2)脉冲间隔12μs,上升时间2.25μs、下降时间2.75μs、半幅点宽度4.0μs的高斯双脉冲基带信号;

3)脉冲间隔12μs,上升时间2.25μs、下降时间2.75μs、半幅点宽度4.0μs的矩形双脉冲基带信号。

设置微波信号发生器SMF100A内部脉冲调制为双脉冲,脉冲间隔12μs,半幅点宽度 4.0μs、上升/下降时间取决SMF200A信号发生器内部的脉冲调制源和调制器,标称值≤10ns。

四种信号分别调制到DME系统X模式(脉冲间隔12μs)的某一工作频道上,设置中心频率为f0=1GHz,输出峰值电平0dBm。

4.2.2 测试结果

用信号与频谱分析仪 FSW的通道功率测量(Channel Power)功能测试f0±0.25MHz带宽内总功率,作为参考(ref.);用邻道功率测量(Adjacent-Channel Power)功能分别测量偏离f0±0.8MHz、± 2.0MHz的各自±0.25MHz带宽内总功率,并分别计算相对于f0参考通道的邻道功率比,dBc。

1)由矢量信号发生器产生上升时间1.75μs、下降时间2.25μs、半幅点宽度4.0μs的高斯双脉冲调制信号。

a)中心频率1GHz,偏离±0.8MHz的500kHz带宽内功率谱如图2所示。

b)中心频率1GHz,偏离±2.0MHz的500kHz带宽内功率谱如图3所示。

2)由矢量信号发生器产生上升时间2.25μs、下降时间2.75μs、半幅点宽度4.0μs的高斯双脉冲信号。

a)中心频率1GHz,偏离±0.8MHz的500kHz带宽内功率谱如图4所示。

b)中心频率1GHz,偏离±2.0MHz的500kHz带宽内功率谱如图5所示。

3)由矢量信号发生器产生上升时间2.25μs、下降时间2.75μs、半幅点宽度4.0μs的矩形双脉冲信号。

a)中心频率1GHz,偏离±0.8MHz的500kHz带宽内功率谱如图6所示。

b)中心频率1GHz,偏离±2.0MHz的500kHz带宽内功率谱如图7所示。

4)由微波信号发生器产生上升/下降时间约10ns的矩形双脉冲信号。

a)中心频率1GHz,偏离±0.8MHz的500kHz带宽内功率谱如图8所示。

b)中心频率1GHz,偏离±2.0MHz的500kHz带宽内功率谱如图9所示。

5 试验数据及分析

测试的数据及结果分析见表2。

表2 测试数据

通过测试数据可以得出以下结论:

1)上升时间、下降时间和脉冲宽度一样的高斯双脉冲和矩形双脉冲所占用的功率频谱宽度基本相同,且都能满足标准要求;

2)在上升时间、下降时间和宽度相等的条件下,高斯双脉冲的功率频谱收敛要快于矩形双脉冲,近端800kHz处约低12dB,远端2MHz处约低1dB,与前面时域函数傅里叶变换分析一致;

3)微波信号发生器产生的矩形双脉冲调制信号由于上升时间、下降时间太快,所占用的频产生谱宽度远超出标准要求。

6 结束语

当使用带脉冲调制的模拟信号源替代高斯脉冲源调试DME系统或类似的多通道系统时,不仅要考虑脉冲调制信号的幅度、宽度和间隔参数,还应注意脉冲的前沿、后沿对邻近信道的干扰。如果用矩形脉冲替代高斯脉冲做调制信号,必须控制脉冲信号调制波形的上升、下降沿在一个合理的范围,只有这样才能获得被测设备的真实性能参数,特别是在脉冲沿的最快和最慢两个极端条件分别测试测距设备的信道干扰和测距精度,这对于窄带、多通道系统尤为重要。

[1] 马存宝,张天伟,李红娟等.民机通信导航与雷达[M].西安:西北工业大学出版社,2012.

[2] MH/T 4006.3—1998,民用航空行业标准[S].北京:中国民航出版社,1998.

[3] GJB 914—90,中华人民共和国国家军用标准[S].北京:国防科学技术工业委员会,1991.

[3] 吴大正,杨林耀,张永瑞等.信号与线性系统分析[M].北京:高等教育出版社,2005.

[4] 刘明亮,陆福敏,朱江淼等.现代脉冲计量[M].北京:科学出版社,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,硕士研究生,主要研究方向:信号测量与电路设计技术。