Utilizar medidas de lóbulos laterales de tiempo para

Soluciones para
Utilizar medidas de lóbulos laterales
de tiempo para evaluar el rendimiento
de los radares de pulsos comprimidos
Nota de aplicación
Serie Medida de radar
Sin embargo, las medidas tradicionales de pulso de RF pierden su
efectividad como indicadores del rendimiento en los radares que utilizan
compresión de pulsos. Por ejemplo, el ancho de un pulso de radar no
comprimido está directamente relacionado con la resolución espacial.
En cambio, para un sistema de radar comprimido que utiliza modulación
en frecuencia intrapulso (chirp LFM), la resolución depende del ancho
del pulso, del ancho de banda de la modulación en frecuencia y de la
linealidad de dicha modulación en frecuencia.
En el campo del desarrollo de radares ha surgido una técnica denominada
medida de nivel de lóbulos laterales (SLL) de tiempo, que constituye una
solución viable para predecir el rendimiento. Esta técnica revela una
amplia gama de posibles perturbaciones de señal a través de una sencilla
métrica que puede emplearse para determinar si el rendimiento del radar
se ajustará a la aplicación deseada.
Esta nota de aplicación define los principales problemas relacionados con la
medida de radares de pulsos comprimidos, describe el método de lóbulos
laterales de tiempo y resume las aplicaciones prácticas de este método.
Problema
Como hemos señalado, los parámetros de modulación utilizados en los
radares comprimidos afectan claramente al rendimiento del sistema. Uno de
los problemas básicos consiste en determinar cuándo son “suficientemente
buenos” los atributos de los componentes empleados en subsistemas de
radar. Asimismo, en un escenario de diagnóstico resulta difícil evaluar el
rendimiento general sin medir por separado los rasgos de los
componentes individuales.
Por ejemplo, no suele ser fácil evaluar el efecto del rendimiento de un
componente en las perturbaciones añadidas a un pulso modulado, y los
Pulse
radar
Radar compression
de compresión
de pulsos
Excitador
Waveformde
formas de
exciter
onda
COHO
COHO
I
Q
Detector
Synchronous
I/Q
I/Q detector
síncrono
DAC
PA
Transmisor
Transmitter
Antena
Antenna
STALO
STALO
LNA
LNA
IF
Receiver
Receptor
Desadaptación
En un sistema de radar, el uso de las técnicas de compresión de pulsos
mejora la resolución espacial y proporciona un rango ampliado para
un determinado nivel de potencia de salida. Por estas razones,
esta técnica suele emplearse en los sistemas de radar existentes
y de nueva generación.
errores en estas medidas suelen dar lugar a costosas especificaciones
extra en los componentes. Pensemos en una reflexión de desadaptación
dependiente de la frecuencia de un filtro de IF empleado en un receptor
de radar (Figura 1). Los filtros de IF de frecuencia más baja suelen tener
retardos de señal significativos. Cuando estos se combinan con reflexiones
internas procedentes de un pulso de radar deseado, el resultado puede
ser un retorno de eco “fantasma”. Puede ser muy difícil determinar el
efecto de dicha reflexión cuando se evalúa el rendimiento funcional
general de un radar de compresión de pulsos con frecuencia fluctuante.
Desadaptación
Mismatch
Introducción
Reflection
Reflexión
Reflection
Reflexión
Internally
generated
echo
Eco
generado
internamente
Figura 1. Las reflexiones de desadaptación pueden causar
retornos de eco fantasmas
Otros problemas del radar pueden estar relacionados con otras
perturbaciones de los componentes que afectan a los resultados en
el demodulador. Es el caso, por ejemplo, del ruido de fase no deseado,
la modulación de amplitud, las reflexiones y el retardo de grupo.
Estas perturbaciones distorsionan lo que se detecta en el receptor,
limitando el rango dinámico y la precisión de detección del radar.
Solución
Funciones de ventana
Una forma de resolver estos retos consiste en obtener la caracterización
de una amplia gama de posibles perturbaciones de señal a través de
una sencilla métrica, a ser posible que pueda servir para determinar si el
rendimiento del radar se ajustará a la aplicación deseada. Las medidas de
lóbulos laterales en el dominio del tiempo brindan una forma efectiva de
utilizar equipos de prueba de calidad y conocidos —con las perturbaciones
internas calibradas a través de las medidas— y un procesamiento
matemáticamente coherente de datos de medida para caracterizar con
precisión el rendimiento de un radar de pulsos comprimidos.
Para reducir los lóbulos laterales en el dominio del tiempo a un nivel
aceptable, suele utilizarse ponderación de amplitud de las señales de
salida. La ponderación de las señales producirá como efecto secundario
la pérdida de la relación señal-ruido. En la tabla 1 se muestran algunas de
las funciones de ventana más utilizadas, con sus niveles de supresión y
pérdidas de señal-ruido.
Tabla 1. Funciones de ventana más utilizadas y sus efectos
Nivel de
lóbulos
laterales de
pico (dB)
Qué son los lóbulos laterales
Función de
ponderación
Los lóbulos laterales en el dominio del tiempo, también llamados lóbulos
laterales de rango, son resultado del uso de técnicas de compresión de
pulsos. Se producen cuando, durante el proceso de compresión de pulso,
una señal ideal de retorno del radar se convoluciona con un filtro de
correlación no ideal, o cuando una señal radar no ideal se convoluciona
con la respuesta real de un filtro de correlación, o una combinación de
ambas. Esto hace que parte de la energía del pulso de retorno quede
fuera del ancho de banda del mismo. En el dominio de tiempo esto se
indica mediante una dispersión en el dominio temporal del pulso de
retorno, en particular en presencia de ecos de tierra o de anomalías
de la señal de transmisión causados por imperfecciones en el camino
del transmisor.
Pérdida señalruido (dB)
Uniforme
-13,2
0
Hamming
-42,8
1,34
Hann
-32
1,4
Blackman
-58
2,37
Blackman-Harris
(3 términos)
-67
2,33
La Figura 2 muestra gráficamente las características de la función Hamming.
Dado que el filtro de correlación en los radares modernos se implementa
casi siempre digitalmente en un DSP en lugar de con un filtro analógico
de onda acústica estacionaria (SAW), la forma de onda de pulso comprimido
que se obtiene es matemáticamente determinista y repetible y, por tanto,
se puede optimizar fácilmente mediante simulación.
Función de ventana
1
Respuesta de frecuencia
0
0,9
-10
0,8
0,7
-20
Decibelios
Amplitud
0,6
0,5
0,4
-30
-40
0,3
0,2
-50
0,1
0
0
Muestras
-60
N-1
Figura 2. Función de ventana Hamming y respuesta de frecuencia asociada
2
-60
-40
-20
0
bins
20
40
60
F (t) = Acos(wct +
1
2
ut2)
El nivel de lóbulos
laterales (SLL) es una
medida de calidad
Anchura
de pulso
SLL
Filtro de
correlación
Pulso de frecuencia fluctuante lineal en FM
Anchura
de pulsos
comprimidos
Pulso comprimido
Figura 3. Compresión de pulsos y medida de lóbulos laterales en el dominio del tiempo
Aplicación del método de lóbulos laterales
La plataforma de generación de pulsos debe proporcionar repetibilidad al
crear y recrear los pulsos para el estímulo de medida y para la medida de
comparación relativa.
El detector de un receptor de radar correla la señal transmitida con ecos
y ruido recibida a lo largo del tiempo. Cuando la señal recibida coincide
con la señal enviada, se produce un pico de correlación y en ese momento
Una alternativa sencilla sería crear matemáticamente el pulso comprimido
se marca la detección de un blanco.1
ideal y compararlo con el pulso medido sin llegar a generarlo físicamente.
La limitación en este caso sería que la comparación relativa siempre se
Un pico de correlación ideal sería infinitamente estrecho, tendría un valor
realiza con el ideal, algo que no tiene por qué ser lo deseable en todos los
de uno y estaría rodeado de niveles de lóbulos laterales de tipo ruido.
casos. En determinados momentos puede ser necesario medir el SLL entre
En el otro extremo, la correlación entre una señal pura y ruido puro es
dos puntos del sistema para intentar localizar la fuente específica de
cero. La Figura 3 indica el proceso de medida de la compresión de pulsos
una anomalía.
y de lóbulos laterales temporales.
Las perturbaciones del sistema, que pueden ser desde pulsos comprimidos
que se han generado de manera imperfecta hasta reflexiones internas de
los filtros, pueden producir niveles de lóbulos laterales de correlación muy
por encima del nivel de ruido (Figura 4). Dado que es difícil valorar el
efecto de dichas perturbaciones en un pulso comprimido, el uso de la
técnica de nivel de lóbulos laterales en el dominio del tiempo proporciona
medidas cuantitativas de formas de pulso transmitidas y de señales recibidas.
Las tres herramientas recomendadas para crear la forma de onda de pulso
pueden emplear distintos métodos, pero el resultado final es el mismo:
un archivo o archivos de formas de onda I y Q combinadas o separadas
que pueden descargarse directamente en la memoria de un generador
de forma de onda arbitraria (AWG).
SystemVue: Esta herramienta de modelado de sistemas, con la biblioteca opcional
de modelos de radares, proporciona modelos de referencia de procesamiento de
señales para explorar los compromisos en arquitecturas de sistemas de radares
Doppler pulsados, FMCW, de matriz digital y UWB. Permite el modelado de escenarios
añadiendo blancos, ecos parásitos, desvanecimiento, ruido, fuentes de interferencia
y los efectos de RF necesarios para el análisis realista del sistema y la verificación
anticipada de I+D utilizando conexiones con equipos de prueba con corriente.
www.agilent.com/find/SystemVue
Una medida precisa de SLL requiere un filtro que esté perfectamente
correlado con la forma de pulso deseada. El primer paso consiste en
crear una forma de onda ideal que represente el pulso comprimido que se
desea: ancho de banda, ancho de pulso y las características de frecuencia
fluctuante o modulación son parámetros esenciales. El modelado puede
realizarse mediante software, como SystemVue o Pulse Builder Signal
Studio de Agilent o MATLAB, de The MathWorks. La representación
generada matemáticamente e ideal (es decir, repetible sin perturbaciones
añadidas) del pulso comprimido se puede almacenar en la memoria y
recuperar posteriormente para correlar formas de onda medidas y permitir
cálculos de SLL.
Pulse Builder Signal Studio: Permite generar con flexibilidad complejos
patrones de pulso de banda ancha utilizando los generadores vectoriales de señales
E8267D PSG o E4438C ESG. La formación de pulsos personalizados, la modulación,
los patrones de antena y los patrones de pulsos definidos por el usuario se consiguen
fácilmente con la sencilla interfaz gráfica de usuario o con un test executive propio
empleando la API basada en COM. Añada el AWG de banda ancha N603xA/
N824xA/M933xA a Pulse Builder Signal Studio como elemento de procesamiento
y modulación de señales, filtro digital y ajuste de curvas.
www.agilent.com/find/MATLAB
La forma de onda de pulso chirp para medir y calcular el SLL debe
diseñarse para que imite la forma de onda operativa del sistema de radar.
En los sistemas que incorporan varios modos de operación deberán
emplearse múltiples formas de onda y realizarse múltiples medidas de SLL.
MATLAB: Es un entorno de software y lenguaje de programación creado por
MathWorks y disponible ahora directamente en Agilent como opción para la mayoría
de los generadores y analizadores de señales. MATLAB amplía la capacidad de los
analizadores y generadores de señales de Agilent para realizar medidas personalizadas,
analizar y visualizar datos, crear formas de onda arbitrarias, controlar instrumentos y
crear sistemas de prueba. Suministra herramientas interactivas y funciones de línea
de comandos para tareas de análisis de datos, como procesamiento y modulación de
señales, filtro digital y ajuste de curvas.
www.agilent.com/find/MATLAB
1. Recordemos que el diferencial de tiempo entre “envío” y “recepción” está
relacionado con la distancia entre el radar y el blanco.
3
Una vez realizados estos preparativos, se puede llevar a cabo la medida.
En el software VSA, los datos de frecuencia medida (reales e imaginarios)
se multiplican por el pulso ideal. Este resultado se procesa con la función
de transformada inversa rápida de Fourier (IFFT) para producir la
intercorrelación temporal necesaria para la medida de SLL.
Cuando se miden formas de onda de pulso que se van a correlar con
cálculos SLL, la calibración de los instrumentos y la corrección de las
formas de onda son otros factores importantes. El motivo: dado el ancho
de banda de la mayoría de los pulsos comprimidos, en el instrumento de
medida se producen imprecisiones potenciales en fase y amplitud con
respecto a la frecuencia. Para evitar que estas imprecisiones afecten
a las medidas de SLL es esencial disponer de un receptor de medida con
ecualización integrada y software o hardware de generación de señales
con funciones de predistorsión.
(t) medido Ω (t) ideal = IFFT [(f) medida * conj[(f) ideal]]
Donde
(f) medida = ventana * FFT ((t) medido)
(f) ideal = ventana * FFT ((t) ideal)
Realización de medidas de lóbulos laterales
El proceso de medida comienza con el conocimiento detallado del pulso
comprimido ideal, como se ha descrito anteriormente. El siguiente requisito
es un analizador de señales de banda ancha, un osciloscopio o un analizador
lógico adecuado con software de análisis vectorial de señales (VSA).
Algunos instrumentos serían los analizadores de señales PXA y MXA, los
osciloscopios Infiniium de la serie 90000X y los analizadores lógicos de la
serie 16900 de Agilent. Todos ellos son compatibles con el software VSA
89600 de Agilent, que admite más de 70 formatos de señal y puede
implementar las matemáticas necesarias para realizar y mostrar la medida
de lóbulos laterales de tiempo. El software VSA puede ejecutarse en un PC
o en instrumentos como los mencionados.
SLL ideal
SLL medido
El instrumento se emplea para adquirir y digitalizar la forma de onda
medida. El software VSA puede configurarse para utilizar la identidad
de intercorrelación temporal, un método mucho menos laborioso que la
intercorrelación en el dominio del tiempo entre archivos de datos. El uso
de la identidad permite tomar los datos de frecuencia medida y multiplicarlos
por el pulso ideal creado anteriormente. Antes de realizar la medida, el
pulso ideal se debe importar al software VSA y convertir al formato de
archivo VSA. Nota importante: para garantizar una medida correcta de
SLL, el archivo importado y los datos medidos deben utilizar la misma
velocidad de muestreo.
Figura 4. Medida del SLL
4
FM ideal
FM medida
Resultados
Conclusión
Los ingenieros de radar y los profesionales de pruebas han dado
muchas aplicaciones prácticas a las medidas de SLL. Un ejemplo sería
la caracterización de la resolución espacial y el rango dinámico de los
radares. También sirve de ayuda para identificar problemas en los
componentes analógicos.
Es fácil realizar medidas de lóbulos laterales en el dominio del tiempo
con los populares analizadores de señales, osciloscopios y analizadores
lógicos de Agilent equipados con el software VSA 89600B. Para preparar
una medida es necesario crear la forma de onda de pulso ideal, importar
el pulso ideal al software VSA y utilizar matemáticas de traza. Una vez
finalizada la configuración es fácil realizar medidas de lóbulos laterales
en el dominio del tiempo, que pueden servir para calibrar aspectos clave del
rendimiento, aislar perturbaciones de la señal, diagnosticar problemas del
sistema y localizar problemas a nivel de los componentes.
La resolución espacial constituye a menudo una parte esencial de los
criterios de aceptación de un sistema. Dado que el tiempo entre el
lóbulo de correlación temporal y el lóbulo lateral discernible mínimo está
directamente relacionado con la resolución espacial mínima, SLL evalúa
de forma efectiva la validez del rendimiento in situ de un sistema de
radar. SLL garantiza además que ningún otro lóbulo temporal generado
internamente afectará al rendimiento general de umbral del radar.
La función de correlación también está directamente relacionada con la
probabilidad de detección de un blanco. A partir de esto, un valor de SLL
suficientemente bajo garantiza que el hardware de radar sometido a
prueba tenga un rango dinámico lo bastante ancho para detectar las
señales débiles de un blanco.
A nivel de los componentes, las pruebas de lóbulos laterales en el dominio
del tiempo pueden ayudar a identificar problemas con componentes analógicos
de microondas. El método habitual consiste en seguir pacientemente el
proceso de medición de las características paramétricas y luego acotar los
resultados e identificar problemas potenciales. En lugar de este método,
pueden medirse los niveles de los lóbulos laterales temporales en busca
de perturbaciones en cualquier punto de un sistema, lo que permitirá
evaluar rápidamente si los pulsos de radar pueden suministrar el nivel de
rendimiento deseado.
Esta posibilidad de evaluar la calidad de los pulsos en prácticamente
cualquier lugar de un sistema de radar —desde el transmisor hasta el
detector del receptor— convierte al SLL en una valiosa herramienta de
diagnóstico. Por ejemplo, una medida rápida de SLL en la salida del
transmisor puede establecer con exactitud si la fuente de problemas se
encuentra en el transmisor o el receptor. Medidas posteriores pueden
aislar rápidamente las perturbaciones de la señal que impiden que el
rendimiento del radar cumpla los requisitos del sistema.
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Finlandia
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45 70 13 15 15
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Alemania
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Italia
Países Bajos
España
Suecia
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49 (0) 7031 464 6333
1890 924 204
972-3-9288-504/544
39 02 92 60 8484
31 (0) 20 547 2111
34 (91) 631 3300
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Revisión: 8 de junio de 2011
Especificaciones y descripciones de productos que
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previo aviso.
© Agilent Technologies, Inc. 2012 Impreso en
Estados Unidos, 7 de diciembre de 2011
5990-7532ESE