車載77GHz調頻連續波雷達，頻譜儀分析信號的實踐操作

本文是《車載77GHz調頻連續波雷達，信號的產生及其影響因素》的後續部分。

為確保調頻連續波雷達的工作性能，測量頻率線性度等相關質量指標至關重要。本操作實踐重點演示了全自動、實時準確測量線性調頻連續波雷達信號的方法，以及基信號處的理本流程，描述了線性偏差對雷達核心性能指標的影響，並對線性調頻連續波雷達信號的測量進行了詳細分析。

R&SFSW-K60信號和頻譜分析儀主要用於分析瞬態信號，如線性調頻連續波雷達信號和多頻移鍵控雷達信號等跳頻序列。擴展版FSW-K60C可自動探測線性調頻連續波、突髮式信號和非突髮式信號，也可測量線性調頻斜率、線性調頻持續時間(相干處理間隔)和線性度。

調頻連續波雷達信號工作在77-81GHz頻段內，測量帶寬500MHz。分析77GHz典型雷達信號的基本特徵，測量了具體參數，下面將對測量步驟進行詳解。

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3.1 軟硬體需求

在頻譜分析儀上設置固定的頻率範圍和帶寬，用於測量雷達信號。

雷達信號載頻：77.0 GHz

雷達信號帶寬：480 MHz

線性調頻信號持續時間/相干處理間隔：1 ms

上述特性參數必須與R&SFSW信號和頻譜分析儀一致，該分析儀可對2Hz至8/13.6/26.5/43.5/50/67 GHz頻段進行測量，附加R&S外部諧波混頻器後，可測頻域達到110 GHz，帶寬分析能力達到500 MHz。

硬體和軟體需求

R&SFSW信號和頻譜分析儀

R&SFS-Z90諧波混頻器

R&SFSW-B500進行500 MHz帶寬分析

R&SFSW-B21作為本振/中頻埠外部混頻器

R&SFSW-K60瞬態測量

R&SFSW-K60C進行瞬態線性調頻測量

3.2 基本信號測量

重置R&SFSW信號和頻譜分析儀；

按重置鍵；

開始瞬態分析，設置頻率，掃寬，測量時間和分析區間；

模式：瞬態分析；

輸入/輸出：外部混頻器配置：配置並激活外部混頻器輸入(如E- band)

頻率：77.0GHz

掃寬：500MHz

掃描：測量時間：10 ms

測量設置：數據採集：分析區間設為最大值

帶寬顯示：打開

時間顯示：打開

點擊單幀模式

圖3-1：外部混頻器設置

選擇信號模式為「線性調頻信號」，開始自動分析

測量配置：信號類型：信號模式：線性調頻信號

圖3-2：標準測量圖

圖3-2中「區域調頻時域(Region FM Time Domain)」窗口顯示了被測器件發射的斜率分別為正負的線性調頻信號。

3.2.1 幅度，頻率和相位與時間關係的測量

R&SFSW-K60C瞬態分析選項的標準化界面應顯示以下五項內容：

1.射頻頻譜全景圖

2.區域調頻時域

3.光譜全景圖

4.線性調頻頻偏時域圖

5.線性調頻結果表

還可添加或替換其他幾種測量顯示窗口。如需進行添加或替換操作，可直接選擇或拖拽相關顯示圖標至界面區域。

圖例3-3顯示的是將「調相時域」窗口替換 默認的「線性調頻信號頻偏時域」窗口。根據測量需求，波面和波背相位主值顯示在相位與時間坐標空間中。測量：顯示設置：選擇拖拽「調相時域」至界面區域

圖3-3：調相時域測量

「區域調相時域」窗口顯示了「分析區間」中相位和時間的關係。而在圖3-2中，該區域顯示的是「線性調頻(1)」的測量值。

3.2.2 測量線性調頻斜率

在應用線性調頻信號模式條件下，可自動進行多項測量

線性調頻長度

線性調頻斜率

相對標稱線性調頻信號斜率下的斜率偏差值

線性調頻信號平均頻率（即線性調頻中心頻率）

與理想線性頻率分布對比時線性調頻信號頻偏最大值

與理想線性頻率分布對比時線性調頻信號頻偏均方根值

與理想線性頻率分布對比時線性調頻信號頻偏平均值

線性調頻信號平均功率

所有線性調頻信號檢測值均在「線性調頻結果」窗口顯示。應用自動線性調頻信號檢測，分析所得數據，得出線性調頻斜率和偏差值，並在「信號狀態」表中顯示。當上述所有檢測值確定時，信號的具體狀態參數也可確定（在需進行某種具體驗證時）。

信號狀態表徵了線性調頻斜率和持續時間，如圖3-4所示，關閉線性調頻自動檢測模式，根據預設線性調頻狀態設定斜率：

測量配置：信號說明：信號狀態：線性調頻>自動模式：關閉

刪除狀態

插入預設線性調頻狀態

插入預設「線性調頻信號斜率」（單位kHz / μs）和「容限」，儘可能添加線性調頻信號狀態以便於檢索。本例中，線性調頻信號帶寬為480 MHz，線性調頻信號時長為1 ms。因此可確定線性調頻斜率如下：

線性調頻信號上升沿斜率為正：

線性調頻信號斜率：480 kHz/μs 容限: 480 kHz/μs

線性調頻信號下降沿斜率為負：

線性調頻信號斜率：-480 kHz/μs 容限: 480 kHz/μs

預設測試時間。本步驟為可選項，用於過濾多餘線性調頻信號，或類似短時「線性調頻」的隨機雜訊引起的干擾檢測。本例中，線性調頻持續時間最小值為50μs，這樣可以避免雜訊干擾檢測。

測量配置：信號說明：信號狀態：線性調頻信號狀態>定時：關閉

最小線性調頻信號時長：50 μs

最大線性調頻信號時長：2 ms

設置完畢並保存後，信號狀態應用於所有測量值，「線性調頻信號結果」表格會自動更新。

圖3-4：信號狀態

設定信號狀態後，將會對所有線性調頻信號進行自動測量分析。圖3-5說明了「線性調頻斜率和時間」坐標軸下，設置標稱線性調頻斜率狀態後，一定容差域條件下線性調頻信號的檢測過程。

當被測線性調頻信號斜率在特定容差域範圍內，且時長介於「最小線性調頻時長」和「最大線性調頻時長」之間時，可檢測出線性調頻信號的狀態。如同設置時間參數一樣，這也說明了如何根據信號狀態表去選擇線性調頻信號的斜率和容限。

在顯示配置中選擇「線性調頻信號斜率時域」，選擇測量範圍為「分析區域」。

測量設置：顯示配置：選擇並拖拽「線性調頻信號斜率時域」

圖3-5：定義主線性調頻信號參數和特徵值

測量設置：分析區域

測量結果顯示了連續線性調頻信號斜率的變化過程。紅色箭頭指示的位置為線性調頻斜率由負變為正，即負斜率的尾端和正斜率的始端。

圖3-6：線性調頻信號斜率測量

雙擊「線性調頻信號結果」窗口，變為全屏顯示模式。

下方窗口顯示的是狀態索引（相對應「信號狀態表」）和線性調頻信號時長、頻偏等信號屬性。

例如，序號1，狀態索引1的線性調頻信號調頻時長為1ms，斜率為-479.986 kHz/μs。和定義的狀態對比具有14 Hz/μs的線性調頻斜率頻偏。另外也顯示了相對理想線性條件下的最大頻偏等參數。

可以看出正斜率線性調頻信號(狀態索引0)的頻偏峰值大於負斜率線性調頻信號(狀態索引1)的頻偏峰值

圖3-7：線性調頻信號結果表

3.2.3 測量線性調頻信號線性度

前文已討論線性調頻信號的線性度對於雷達估測精度和解析度的重要性。因此在顯示配置中選擇「頻偏時域」結果，設定測量範圍為「分析區域」，如圖3-8所示。

測量：顯示配置：選擇並拖拽「頻偏時域」窗口

測量：分析區域

圖3-8：線性調頻信號線性度測量

根據「信號狀態」表，測量結果顯示所有線性調頻信號的頻偏。兩種測量的時間軸是一致的。

在頻偏顯示窗口中，可以明顯看見正斜率起始和負斜率終止間的峰值，但在調頻時域顯示中卻看不出來。然而，頻偏顯示中包含了雜訊影響。在「頻偏時域中」測量單個軌跡（如視頻濾波），或者測量多個軌跡（如軌跡平均）中，可以通過應用統計平均技術來減小雜訊。

3.2.4 線性調頻信號線性度測量具體方法

為了具體分析線性調頻信號，我們先以負斜率信號為測量對象，在測量範圍內，它包含一個明顯的峰值。

在線性調頻相關結果顯示中改變測量範圍

選擇調頻時域

測量：線性調頻信號

選擇頻偏時域

測量：線性調頻信號

圖3-9：線性調頻信號分析詳解

在頻偏時域圖中，可模糊分辨出正弦干擾。信號中也存在一些峰值。為了看清干擾信號，可通過減小調頻信號的視頻帶寬來減小雜訊帶寬。

帶寬：調頻信號視頻帶寬：1%低通帶寬

圖3-10：調頻信號視頻帶寬，應用1%低通帶寬

選擇頻偏時域顯示窗口，增加一條軌跡。注意測量範圍可以設置為全部「分析區域」，或者單個「已選線性調頻信號」。

選擇「頻偏時域」

軌跡：軌跡配置：多軌跡

軌跡1為最大值保持，打開「保持」開關

軌跡2為平均值，打開「保持」開關

軌跡3位最小值，打開「保持」開關

圖3-11：在「頻偏時域」測量中增加軌跡

圖3-12：「頻偏時域」測量中的多軌跡

圖3-12顯示的是線性調頻信號的正弦頻偏，偏移值為+/-10 kHz，峰值仍然可見。本例中為便於演示，有意將被測信號和+/-10 kHz正弦波進行同步。通過上述測量儀器測量77GHz射頻，可清晰分辨出預期「誤差」，並實現精確量化。

3.2.5 測量單個線性調頻信號

其他被測線性調頻信號也很有參考意義。完成多個線性調頻信號檢測後，可以選定其中一個線性調頻信號繼續分析，並逐步跟蹤線性調頻連續波結果列表。

「頻偏時域」等所有測量線性調頻信號的窗口將自動更新相應內容，並顯示被選線性調頻信號的軌跡數據。「線性調頻信號結果」表中藍色突出部分與顯示窗口相對應。

測量：選擇線性調頻信號

逐步跟蹤被測線性調頻信號

圖3-13：選擇單個線性調頻信號

被測正斜率線性調頻信號（線性調頻信號序號2）也顯示了一個正弦頻偏以及多個信號峰值。

如本文2.3節所述，一個正弦波干擾會影響拍頻測量的精確度，在傅里葉頻譜中形成更寬的本地最大值，減小了距離解析度、徑向速度解析度以及拍頻測量精確度。

4 測量長期穩定性

峰值、頻偏或正弦振蕩是僅在特定時間出現在單個線性調頻信號中，還是頻繁出現，這些決定著長期穩定性測量。此類測量也可用於分析諸如溫度變化等不同條件下雷達信號的狀態變化。

4.1 統計和趨勢分析

下一步將以包含明顯峰值和正弦波干擾的正斜率線性調頻信號作為被測對象，關注其統計數據和長期穩定性。

僅關注正斜率線性調頻信號，測量數據會自動更新

測量配置：信號描述：信號狀態：線性調頻信號

除「狀態索引0」的正斜率線性調頻信號外，其餘線性調頻信號狀態信息全部刪除。

圖4-1：信號狀態

更改相關配置，顯示「頻偏」，「線性調頻信號斜率」和「線性調頻信號統計」

測量：顯示配置

選擇並拖拽「頻偏時域」、「線性調頻信號斜率時域」和「線性調頻信號統計」窗口

設定各個參數的開關狀態，在「線性調頻信號特徵」表中顯示確定的測量值。

測量配置：結果配置：表格配置

「狀態索引」和「平均頻率」設為關閉

圖4-2：統計表配置

結果顯示的是頻偏、線性調頻信號斜率和統計值。在線性調頻信號統計值中，藍線表示的是當前被選中的線性調頻信號統計結果（線性調頻信號序號2）。綠色部分顯示的是當前所得統計值（10ms內）。背景為黑色部分顯示的是多次掃描（100次）所得數據後，所有線性調頻信號的累計值。

在累計統計設置中，設定掃描次數。窗口右上角的計數器顯示的是實際掃描次數。

掃描：掃描次數：100

運行單幀模式

圖4-3：頻偏和線性調頻信號統計

5 總結

雷達系統可為目標探測、參數估測和跟蹤識別等多種需求提供服務。為確保系統性能，一部雷達不僅能有效處理信號，還需要有良好的射頻特性。在車載雷達感測器或攜帶型近程偵察雷達中，信號線性度是線性調頻連續波雷達信號的最重要的參數之一。

本文的操作闡明了線性調頻連續波雷達系統基本信號的處理過程，顯示了信號發射過程中非線性對精確度及解析度等核心參數指標的影響。

本文詳細描述了如何使用R&SFSW信號和頻譜分析儀及其瞬態測量功能，對頻率為77GHz，帶寬為480MHz的線性調頻連續波雷達信號進行測量的具體步驟。

根據此操作說明可全自動測量線性調頻發射信號的質量，識別影響雷達性能的潛在信號。

前半部分

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