序言
在雷達系統測試應用中，毫無疑問，矢量信號源起著舉足輕重的作用。不僅可以為雷達發射機和接收機提供高質量本振信號，更重要的是，還可以按照測試所需生成各式各樣的波形，這就是矢量信號源的優勢。
眾所周知，距離分辨率決定了雷達在距離維度上的分辨能力，是目標探測雷達和成像雷達非常重要的參數。對于簡單射頻脈沖而言，脈寬大小決定了距離分辨率，脈寬越窄，則距離分辨率越高，反之，距離分辨率越低。
但是，一味減小脈寬來提高距離分辨率是不現實的，一方面脈寬減少，則意味著脈沖信號的平均功率降低了，這會縮短雷達探測距離。另一方面，太窄的脈沖也在技術實現上提出了更高挑戰。
有沒有方法既能使用寬脈寬又可以實現高分辨率呢？
答案是肯定的，目前高分辨率雷達通常采用脈沖壓縮技術，可以在采用寬脈寬的同時，實現更高的距離分辨率。今天就跟大家聊一聊脈沖壓縮技術，以及矢量信號源在這種雷達測試中的應用。
脈沖壓縮技術簡述
所謂脈沖壓縮，可以理解為在接收機側通過匹配濾波器或者互相關算法實現對回波信號脈寬的壓縮，從而提高距離分辨率。或者簡單地認為，只要脈內采用了頻率調制或者相位調制，都可以認為使用了脈沖壓縮技術。目前比較常見的兩種調制方式分別為線性調頻（Chirp or LFP pulse）和相位編碼（Barker Pulse），如圖1所示。
圖1. 典型Chirp和Barker Pulse
脈沖壓縮技術并不是通過降低脈寬提高距離分辨率，而可以在脈寬不變的情況下，通過引入脈內調制，同時保證雷達探測距離和高分辨率。
雷達接收機通常采用匹配濾波器，以實現信噪比SNR的最大化。如果脈內采用了頻率或相位調制，經過匹配濾波器后，SNR被改善的同時，脈寬也會被大幅度壓縮。在這個過程中，有兩個非常重要的參數：脈沖壓縮比和時域邊帶抑制度。前者為原脈沖寬度與壓縮后脈沖寬度的比值，衡量了距離分辨率被改善的程度；后者為回波信號經過匹配濾波器后，時域沖激響應的最高邊帶與主帶信號幅度的比值，決定了雷達對低散色截面目標的探測能力。下面將從這兩個參數著手，分別對Chirp Pulse和Barker Pulse進行簡要介紹。
(1) Chirp Pulse
線性調頻脈沖是指脈沖內部采用線性頻率調制，載波頻率可以線性增大（ramp up）、線性減小（ramp down）或者先線性增大再線性減小（ramp up and down or down and up），諸如此類的頻率線性變化，都屬于線性調頻的范疇。關于接收機側是如何通過匹配濾波器實現脈沖壓縮的，可以查閱相關書籍，此處更多是關注脈沖壓縮比和時域邊帶抑制。
假設線性調頻脈沖的脈寬為τ，帶寬為B，其脈沖壓縮比是多少呢？
接收機側會使用一個匹配濾波器處理雷達回波信號，其輸出的時域波形近似為Sa(x)函數，有主瓣，亦有豐富的邊帶，如圖2所示。或者可以這里理解，線性調頻脈沖的頻譜類似于一個帶通濾波器的幅頻響應曲線，經過匹配濾波器后，其頻譜形狀變化不大，可以將其想象成頻域的“脈沖”，經過IFFT后得到的時域波形則類似于Sa(x)函數曲線，這就是壓縮后的時域波形，壓縮后的脈寬可以近似為1/B (在3dB脈寬和6dB脈寬之間)。
信號原脈寬為τ，壓縮后的脈寬近似為1/B，則脈沖壓縮比近似為：τ?B，這也是通常所講的時寬帶寬乘積，是線性調頻脈沖的一個非常重要的參數。
圖2. 線性調頻脈沖的典型時域沖激響應
壓縮后的脈沖近似Sa(x)函數，所以第一邊帶相對于主瓣的電平理論值為：-13.3dB。此時的時域邊帶抑制還不夠高，較強的時域邊帶可能會造成目標誤判，同時也可能將目標回波信號淹沒在邊帶中而探測不到目標。為了進一步降低時域邊帶，在數據處理過程中可以考慮引入時間窗，但時間窗的引入會導致主瓣寬度的增大，需要折中考慮。
(1) Barker Pulse
Barker pulse實際上是在脈內采用了BPSK調制，只是調制源為Barker碼。Barker碼序列是一組特殊的二進制比特，目前發現的Barker長度包括2、3、4、5、7、11和13位。當二進制比特由0變為1，或者由1變為0，載波相位將發生180°變化，如圖1右所示，給出的就是Barker5 (11101)對應的波形示意圖。
圖3. Barker 13脈沖壓縮后的時域波形
Barker pulse經過匹配濾波器壓縮后的時域波形如圖3所示，時域邊帶幅度相同，為主瓣脈沖幅度的1/N，N為Barker碼的長度。比如Barker 13，時域邊帶抑制為：20lg(1/13)≈-22dB。
壓縮后的脈寬為τ/N，相當于將原脈寬平均分成了N個子脈沖，因此對應的脈沖壓縮比為N。而且，由圖3可以觀測到，脈沖壓縮后，不僅脈寬變小了，SNR也改善了，改善了雷達對微弱回波信號的處理能力。
為什么需要矢量信號源？
脈沖壓縮比和時域邊帶抑制不僅與所使用的脈內調制方式、參數和接收機側匹配濾波器性能、數據處理方法有關，還會受到發射機鏈路諸如功率放大器等部件以及級間阻抗匹配的影響。在發射機開發階段，通常會使用矢量源信號源產生標準的脈沖信號，脈內采用線性調頻或者Barker碼調相，以驗證射頻前端部件對脈沖參數造成的影響。
類似地，對于雷達接收機鏈路的驗證以及信號處理算法的驗證，也需要矢量信號源提供標準的脈沖信號。
由此可見，在雷達收發機開發過程中是需要信號源提供標準脈沖信號的，而像脈內調頻或調相的脈沖，采用模擬信號源是很難實現的，矢量信號源才是最佳選擇，尤其是高帶寬脈沖的產生。這就是為什么在雷達測試中需要使用矢量信號源的原因。
圖4. 矢量信號源用于雷達收發機測試
如何使用KSW VSG02矢量信號源產生射頻脈沖信號？
圖5. KSW-VSG02矢量信號源
KSW-VSG02具有多個頻率型號，頻率最高可達44GHz，可配置單個或兩個射頻通道，最高功率高達+21dBm，2GHz調制帶寬，優異的相噪指標（< -146dBc@F = 1GHz，20KHz SSB；（低相噪選件）），助力產生理想的寬帶脈沖信號。
在雷達信號產生方面，提供了信號波形產生軟件，支持脈沖輪廓編輯、脈內調制、脈沖參數捷變以及天線模擬等功能，以便更好地滿足用戶豐富多樣的測試需求。
(1)脈沖輪廓：支持矩形、梯形、升余弦、鋸齒等脈沖輪廓，用戶還可以根據實際需要進行自定義。
(2)脈內調制：支持線性調頻、步進頻、Barker碼、Frank碼、PSK、QAM等一系列常用的調制方式，并且支持自定義調制方式。
(3)參數捷變：支持脈沖之間幅度、頻率、相位、脈寬、脈重頻等多種參數的捷變，其中載波頻率和脈重頻還支持隨機跳變。
(4)天線模擬：在評估天線帶來的影響時，可以使用雷達信號生成軟件直接生成各式各樣天線偶極子、平面陣及拋物面天線等）及天線不同掃描方式（圓周掃描、扇形掃描、光柵掃描等）對應的波形，即使沒有天線實物，依然可以模擬天線存在時給系統帶來的影響。
(5)支持脈沖描述字（PDW）以及脈沖描述字的實時傳輸，并與其它主流信號源的PDW兼容。
圖6.雷達信號產生軟件
總結
矢量信號源已然成為雷達系統測試中不可或缺的標準測試設備，頻率高、帶寬大、相噪低，逐漸成為現代雷達測試對矢量信號源提出的最新要求。本文以高分辨率雷達常用的脈沖壓縮技術為切入點，對其作了簡要介紹，并解釋了雷達系統測試中使用矢量信號源的必要性。最后介紹了雷達波形生成軟件，能夠方便地生成豐富的脈沖波形，滿足多樣的測試需求。
