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07/02/2017

Evaluación de RF pulsada de frecuencia fluctuante en FM con la memoria segmentada y el software de análisis de pulsos de un osciloscopio


Evaluación de RF pulsada de frecuencia fluctuante en FM con la memoria segmentada y el software de análisis de pulsos de un osciloscopio

Ciertas aplicaciones de RF de pulsos, microondas y ondas milimétricas presentan problemas de medida a los diseñadores de radares y guerra electrónica debido a la necesidad de amplios anchos de banda de análisis, así como a su deseo de evaluar un periodo de tiempo significativo de la actividad del sistema. En este artículo estudiaremos cómo utilizar la memoria segmentada en osciloscopios de banda ancha, incluyendo el uso de software de análisis de pulsos, para responder a estos problemas. También analizaremos el área de aplicación de radares y guerra electrónica en cuanto a la medida de amplitud de pulsos, frecuencia y fase, así como la forma en que puede optimizarse la precisión.

Cuando se utilizan técnicas de digitalización directa para obtener beneficios de planicidad de amplitud y de fase en las medidas de RF por pulsos, como sucede al utilizar determinados osciloscopios de amplio ancho de banda, el método de muestreo de alta velocidad consume muy rápidamente la memoria de adquisición. De ahí la necesidad de “memoria segmentada” en la que las señales de interés se sitúen en segmentos de memoria y el receptor ignore los tiempos en que estas señales no estén presentes.

El papel de la memoria segmentada del osciloscopio para lograr objetivos de capturas de tiempo largas en aplicaciones de RF pulsadas
Veamos el ejemplo de una señal de RF pulsada con una frecuencia portadora de 15 GHz y modulación de 2 GHz de ancho. El osciloscopio debe muestrear con velocidad suficiente para abordar la señal de pulso de RF modulada de 15 GHz. Para ello se necesita una velocidad de muestreo de al menos ~ 2,5 x 16 GHz, o 40 Gmu/s. Para contar con algo de margen más allá de los 2 GHz de modulación de portadora, así como para evitar la caída del ancho de banda del osciloscopio, la velocidad de muestreo inmediatamente superior que podemos elegir son 80 Gmu/s, el máximo del osciloscopio, para una captura de ancho de banda 33 GHz. Con el método de captura estándar, en el que todas las muestras entran en la memoria disponible independientemente de las señales presentes, a la velocidad máxima de 80 Gmu/s de un osciloscopio con 33 GHz de ancho de banda y utilizando los 2 Gpts de profundidad de memoria disponibles, obtendríamos 25 ms de tiempo de captura: (2 Gmu) / (80 Gmu/s) = 25 ms Ahora consideremos un tren de pulsos con un intervalo de repetición de pulsos de 100 us (a una velocidad de repetición de pulsos [PRI] de 10 kHz) y pulsos de 1 us de ancho.
La captura de osciloscopio correspondiente incluiría cerca de 250 pulsos, de acuerdo con la siguiente fórmula: (25 ms) / (100 us/pulso) = 250 pulsos Si utilizamos la memoria segmentada del osciloscopio, el número de pulsos capturados puede aumentar espectacularmente. Con el modo de memoria segmentada, se pueden definir segmentos un poco más largos que el mayor pulso capturado. Por ejemplo, podemos utilizar un segmento de 1,2 us de ancho para capturar pulsos de 1 us. La captura por memoria segmentada puede configurarse para abarcar segmentos de 1,2 us si se elige una profundidad de memoria de 96.000 puntos y 32.768 segmentos.
El cálculo de la profundidad de memoria segmentada necesaria es muy simple, sabiendo que la velocidad de muestreo es de 80 Gmu/s y que deseamos una longitud de segmento de 1,2 us: (80 Gmu/s) x (1,2 us) = 96.000 muestras Ahora, al pulsar el botón de captura “única”, capturaremos 32.000 pulsos y se introducirán en 32.000 segmentos correspondientes a 3,3 segundos de actividad objetivo. La captura segmentada puede verse en la Figura 3, que muestra una señal de RF pulsada con una portadora de 15 GHz y una modulación de frecuencia fluctuante lineal en FM de 2 GHz. Obsérvese que hay un botón de reproducción que permite reproducir los 32.000 segmentos. Nótese también que las estadísticas se calculan a partir de los 32.000 pulsos capturados.

Mejora de las medidas de pulso/radar con la combinación de memoria segmentada del osciloscopio y software de análisis de pulsos
La memoria segmentada puede controlarse mediante un software de análisis de señales, de forma que el análisis estadístico de pulsos podrá llevarse a cabo en múltiples pulsos de RF capturados en la memoria segmentada. Este análisis puede realizarse en muestras de osciloscopio con conversión de bajada digital, en las que el formato ahora será I/Q de banda base y la medida se habrá ajustado a la frecuencia central y a un alcance de análisis de frecuencia elegido para que sea un poco más amplio que el ancho espectral de la señal. De esta forma, la ganancia de procesamiento puede reducir el ruido en la medida. Tras la reducción de ruido pueden tomarse muchas medidas en los datos I/Q, incluyendo la evolución de la amplitud, la frecuencia y el cambio de fase a lo largo de un pulso de RF. La Figura 4 muestra un ejemplo de este tipo de medidas; en ella se analizan los segmentos de memoria 3, 4 y 6, así como los pulsos que contienen. En este ejemplo, el cambio en frecuencia fluctuante lineal en FM a lo largo del pulso de RF se mide y se compara con una rampa lineal ideal (véase el panel central derecho). La diferencia entre el pulso medido y la rampa recta ideal se calcula y se muestra (traza horizontal con ruido). Así, podemos ver que la rampa medida y la rampa de referencia apenas presentan diferencias.
La traza de error se muestra con una escala de 1 MHz/ div y una desviación de pico de unos 500 kHz, y el valor cuadrático medio (RMS) del error de frecuencia en la tabla inferior derecha muestra unos 300 kHz de error de frecuencia. De forma parecida, el desplazamiento de fase a lo largo de un pulso se compara con el desplazamiento de fase parabólico ideal (véase el panel superior derecho), característico de la modulación fluctuante lineal en FM en pulsos de radar. Es posible ampliar la vista del desplazamiento medido y su referencia para ver hasta qué punto un sistema objetivo se desvía de su ideal. En la tabla de la Figura 4 vemos una desviación de pico de unos +8 y -5 grados y un RMS de error de fase de 2 grados.
El contenido espectral del pulso de RF se ve en el panel central izquierdo; en el panel superior izquierdo hay una vista de la amplitud de la envolvente del pulso de RF; por último, en el panel inferior izquierdo se muestra la diferencia entre la envolvente de amplitud medida y la señal de referencia recta ideal. Para finalizar, es posible realizar un análisis estadístico de los parámetros medidos en el número de pulsos capturado en los segmentos. En la Figura 5 podemos ver el análisis estadístico en la tabla de pulsos basada en 1.000 segmentos de memoria capturados. Cuando se capturan directamente señales de RF pulsadas de banda ancha, la velocidad de muestreo necesaria puede dificultar la captura de muchos pulsos, ya que la memoria de adquisición disponible se agota rápidamente.

No obstante, la memoria segmentada permite solventar este problema adquiriendo los pulsos de RF en segmentos de memoria para después desactivar la adquisición durante los momentos “tranquilos” hasta que se produzca el siguiente pulso de RF. El software de análisis de pulsos puede controlar una captura de memoria segmentada y realizar digitalmente una conversión de bajada de las señales capturadas en los datos de I/Q de banda base. De esta forma, la medida se ajusta de forma eficaz a una frecuencia portadora específica con un alcance de la medida de frecuencia ligeramente superior a la señal bajo prueba, reduciendo así el ruido y aumentando la precisión de la medida.
El tiempo de validación del sistema se ve reducido al poder compararse las características del pulso real medido respecto a unas señales de referencia relativas ideales en lo relativo a amplitud, frecuencia y fase. Esto permite identificar problemas en la creación de señales y el rendimiento del sistema.

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