Radarsignale mit einer modularen Digitizer-Karte messen

| Autor / Redakteur: Oliver Rovini und Arthur Pini * / Hendrik Härter

Radar-Signale: Mit einer modularen Messkarte und entsprechender Software lassen sich Radar-Signale analysieren und auswerten.
Radar-Signale: Mit einer modularen Messkarte und entsprechender Software lassen sich Radar-Signale analysieren und auswerten. (Bild: Spectrum Instrumentation)

Radarsignale lassen sich mit modularen Digitizer-Messkarten analysieren. Die Messdaten gelangen schnell auf einen Host-Computer und der Anwender kann aus einer breiten Palette an Analysewerkzeugen zurückgreifen.

Will man Radarsignale untersuchen, die aus gepulsten Wellenformen mit kurzen Pulslängen, mehreren Modulationsarten und kritischem Timing bestehen, so sind Messsysteme mit hoher Bandbreite, proportionaler Abtastrate, großem Erfassungsspeicher und schneller Datenübertragung notwendig. Es sind vor allem modulare Digitizer mit hohen Geschwindigkeiten, mit denen sich solche Radarsignale erfassen und verarbeiten lassen. Außerdem bieten sie neben der hohen Bandbreite einen großen Speicher sowie spezielle Erfassungsmodi, damit der verfügbare Speicherplatz optimal genutzt wird. Mit den kompakten PC-Digitizer lassen sich Hochgeschwindigkeitsmessungen und sehr präzise Analysen durchführen. Der folgende Text zeigt alle Vorteile von modularen High-Speed-Digitizern, wenn man Radarsignale messen will.

Radarsignale basieren auf pulsmodulierten Radiofrequenz- (HF-)Trägern, die im Allgemeinen eine Frequenz-, Phasen- oder komplexe Modulation aufweisen. Die Messinstrumente haben die Aufgabe, die gepulsten Wellenformen mit einer möglichst hohen Genauigkeit zu erfassen und die Schlüsselparameter zu ermitteln. Das Bild 1 (siehe letzter Absatz) zeigt ein Radarsignal mit einem pulsmodulierten HF-Trager mit 1 GHz. Das Signal im oberen Raster wurde mit dem Digitizer des Typs M4i.2234-x8 von Spectrum Instrumentation aufgenommen. Es handelt sich dabei um eine PCIe-Digitizerkarte mit einer Auflösung von 8 Bit, vier Kanälen und einer Bandbreite von 1,5 GHz bei einer maximalen Abtastrate von 5 GS/s. Das entspricht fünf Milliarden Messwerte pro Sekunde.

Dank dieser Bandbreite und Abtastrate lassen sich VHF- und niederfrequenten UHF-Radargeräten erfassen sowie auch die Zwischenfrequenzen vieler Radargeräte mit höheren Frequenzen. Dieser Digitizer enthält einen Erfassungsspeicher von 4 GS. Damit lassen sich problemlos 800 ms Daten mit der maximalen Abtastrate von 5 GS/s aufzeichnen. Es ist also sowohl eine gute Zeitauflösung als auch eine lange Erfassung möglich, was bei der Analyse von phasen- oder frequenzmodulierten Signalen sehr hilfreich ist. In diesem Beispiel hat der Digitizer das Radarsignal 500 µs lang erfasst und dabei einen Speicher von 2,5 MS benötigt. Das entspricht fünf Impulsen des Signals, wobei der interne Speicher des Digitizers ausgereicht hätte, um 8000 Impulse aufzunehmen.

Software analysiert Messwerte und konfiguriert den Digitizer

Die für den Einsatz mit dem Digitizer verwendete von Spectrum Instrumentation. Mit dieser Software hat der Anwender die Möglichkeit, den Digitizer schnell und einfach zu konfigurieren, die Erfassung zu steuern und die entsprechenden Daten anzuzeigen. Die Software enthält auch Funktionen zum Analysieren der erfassten Signale. Beispielsweise wird mit der Frequenzmessfunktion die Trägerfrequenz des Signals ermittelt, ablesbar im Infofenster auf der linken Seite mit 1,0 GHz. SBench 6 enthält zudem verschiedene numerische Analysewerkzeuge, einschließlich der Fast-Fourier-Transformation (FFT) und der Filterung mit endlicher Impulsantwort (FIR).

Die Pulswiederholungsfrequenz (PRF) kann mithilfe des Rasters abgelesen werden; einen viel genaueren Wert kann man mit Hilfe der Softwarefunktionen ermitteln. Für genauere Messwerte des PRF, der Impulsbreite und des Tastverhältnisses extrahiert man die Hüllkurve der pulsmodulierten Wellenform. Eine Möglichkeit hierfür ist, das Signal zu quadrieren (mittleres Raster) und anschließend mit einem Tiefpass (unteres Raster) zu filtern. Mit diesem Vorgehen ist es dem Anwender möglich, den quadratischen Mittelwert (Effektivwert, RMS) zu erkennen.

Die quadrierte Wellenform im mittleren Raster ist proportional zu der Momentanleistung des Signals. Wenn eine Leistungsmessung erforderlich ist, können diese Daten durch die Eingangsimpedanz von 50 Ohm dividiert und die Einheit in Watt geändert werden, um die gewünschten Werte zu erhalten. Hat man das Signal gefiltert, wird die Hüllkurve der Impulsfolge im unteren Raster angezeigt. Die Messfunktionen der Software werden dann erneut verwendet: Es ergibt sich für die Impulse letztendlich ein PRF von 10 kHz, eine Impulsbreite von 9,955 µs und ein Tastverhältnis von 9,955%.

Wie sich modulierte Pulse messen lassen

Um die Entfernungsauflösung des Radars zu verbessern, wird oft die Pulskompression verwendet. Bei dieser Kompression wird der Impulsträger so moduliert, dass sich jeder Zeitpunkt im Impuls von jedem anderen unterscheidet. Dazu nutzt man die Frequenz- oder Phasenmodulation. Der Radarempfänger liefert die notwendige digitale Signalverarbeitung, um die Pulskompression zu beeinflussen. Die Trägerfrequenz zu wechseln oder schwanken zu lassen, während der Impuls andauert, ist eine übliches Verfahren, wobei die resultierenden frequenzmodulierten Impulse als sogenannte Chirps bezeichnet werden. Das Bild 2 zeigt als Beispiel einen linear schwankenden Radar-Chirp.

Bild 2: Ein Radar-Impuls mit linear schwankender Trägerfrequenz (Chirp). Das Frequenzspektrum des Impulses zeigt den linearen Schwankungen (Sweep) von fast 4 MHz, der auf die Trägerfrequenz angewendet wird.
Bild 2: Ein Radar-Impuls mit linear schwankender Trägerfrequenz (Chirp). Das Frequenzspektrum des Impulses zeigt den linearen Schwankungen (Sweep) von fast 4 MHz, der auf die Trägerfrequenz angewendet wird. (Bild: Spectrum Instrumentation)

Der modulierte Impuls wird im linken Raster angezeigt. Während des Impulses wird die Trägerfrequenz linear von nominal 998 auf 1002 MHz geändert, was sich in der Frequenzbereichsansicht der FFT zeigt, die im rechten Raster angezeigt wird. Der abgeflachte Peak, zwischen der roten und blauen Cursorlinie, zeigt die Frequenzänderung während der Schwankung (Sweep). Die zwischen den Cursorn abgelesene Frequenzänderung des Trägersignals beträgt 3,62 MHz.

Eine andere Art von Pulskompression ergibt sich durch das Implementieren von Phasenmodulation. Dabei wird der Impuls in Segmente aufgeteilt, von denen jedes mit einer bestimmten Phasenverschiebung übertragen wird. Alle Segmente sind dabei gleich lang. Die Auswahl der Phasenverschiebung wird durch einen Code bestimmt. Der typische Code ist binär, wobei der Codewert zwischen +1 und -1 wechselt, was einer Phasenverschiebung von 0 und 180° gemäß der Codefolge entspricht. Die am häufigsten verwendete Codefolge ist der Barker-Code, der eine geringe Autokorrelation mit anderen Sequenzen aufweist und Spektren mit geringen Nebenkeulen erzeugt.

Bild 3: Ein phasenmodulierter Impuls unter Verwendung eines Barker-Codes der Länge 13. Phasenumkehrungen sind als Einschnitte in der Wellenform sichtbar.
Bild 3: Ein phasenmodulierter Impuls unter Verwendung eines Barker-Codes der Länge 13. Phasenumkehrungen sind als Einschnitte in der Wellenform sichtbar. (Bild: Spectrum Instrumentation)

Das Bild 3 ist ein Beispiel eines phasenmodulierten Impulses, welches den Barker-Code der Länge 13 verwendet. Die Demodulation des phasenmodulierten Impulses erfolgt am besten im Host-Computer, wodurch eine differenzierte Datenanalyse möglich ist. Es lassen sich auch Programme von Drittanbietern wie MATLAB oder LabVIEW oder auch benutzerspezifische Programme in C, C ++ oder Python verwenden.

Mit Software eines Drittanbieters können die Signale schnell demoduliert werden. Außerdem lässt sie sich an die Anwendung anpassen, bietet somit große Flexibilität und ermöglicht eine sehr komplexe Analyse. Der M4i.2234-x8 Digitizer von Spectrum Instrumentation unterstützt das mit einer hohen Datenübertragungsrate über die PCIe-x8-Gen2-Schnittstelle. Dank entsprechender Treiber und mit einem geeigneten Host-PC sind Datenübertragungen von mehr als 3,4 GByte/s möglich. Diese Übertragungsrate ist sehr wichtig, wenn mit einem schnellem Digitizer wie diesem gearbeitet wird, der große Datenmengen erfasst und einen internen Datenspeicher von 4 GSamples nutzt.

Software von Drittanbietern oder eigener Code

Bild 4: Phasendemodulation mit einem geeigneten Programm, das auf dem Host-Computer ausgeführt wird. Die demodulierte Wellenform ist nur in Anwesenheit des Trägers gültig.
Bild 4: Phasendemodulation mit einem geeigneten Programm, das auf dem Host-Computer ausgeführt wird. Die demodulierte Wellenform ist nur in Anwesenheit des Trägers gültig. (Bild: Spectrum Instrumentation)

Eine deutlich höhere Rechenleistung kann mit der SCAPP-Option von Spectrum erreicht werden: Dabei leitet der Digitizer die großen Datenmengen nicht an den PC, sondern an eine CUDA-basierte Grafikkarte (GPU). Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die GPU mit bis zu 5000 Kernen eine viel schnellere parallele Verarbeitung bietet als die CPU des PCs mit nur 8 oder 16 Kernen. Schon mit kleineren CUDA-Grafikkarten kann die Signalverarbeitung erheblich beschleunigt werden.

SCAPP (Spectrum's CUDA Access for Parallel Processing) besteht aus einem Treiberpaket für RDMA (Remote Direct Memory Access), welche den direkten Datentransfer zwischen Digitizer und GPU erlaubt, sowie Anwendungsbeispielen für die parallele Datenverarbeitung mit anschaulichen Anwendungen von Basisfunktionen wie Filtern, Mittelwertbildung, Daten De-Multiplexing, Datenumwandlung oder FFT. Die Demodulation des phasenmodulierten Impulses (Bild 4) ist mit einer geeigneten Drittanbieter-Software möglich. Die demodulierte Wellenform, die nur in Anwesenheit des Signalträgers gültig ist, zeigt eine Barker-Code-Sequenz. Der 13-Bit-Barker-Code (+1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 +1) ist zu sehen, wobei +1 für 0° steht und -1 für 180°. Das ist die längste verfügbare Barker-Code-Sequenz. Der Pegel der Nebenkeule für diesen Code beträgt -22,3 dB.

Bild 5: Der Erfassungsspeicher kann im Multiple-Recording-Modus effizienter genutzt werden. Nur die Signale um das Triggerereignis werden erfasst, jedes in einem eigenen Segment des Speichers. Die Totzeiten zwischen den Ereignissen werden nicht aufgezeichnet. Zeitstempel erfassen die Trigger-Zeitpunkte.
Bild 5: Der Erfassungsspeicher kann im Multiple-Recording-Modus effizienter genutzt werden. Nur die Signale um das Triggerereignis werden erfasst, jedes in einem eigenen Segment des Speichers. Die Totzeiten zwischen den Ereignissen werden nicht aufgezeichnet. Zeitstempel erfassen die Trigger-Zeitpunkte. (Bild: Spectrum Instrumentation)

Softwarepakete von Drittanbietern wie LabVIEW und MATLAB bieten speziell für die Radaranalyse entwickelte Anwendungspakete. Ein gutes Beispiel sind die sogenannten Radar-Waveform-Analyzer-Funktionen, die in der Toolbox von MATLAB Phased Array System enthalten ist. Der Hersteller Spectrum bietet Treiber und Beispielprogramme, um diese Toolbox mit seinen Digitizern zu verbinden. Der modulare Digitizer bietet zudem mehrere Erfassungsmodi, um den Erfassungsspeicher effizient zu nutzen und die Totzeit zwischen den Erfassungen zu verringern. Das ist besonders bei Signalen mit niedrigem Tastverhältnis entscheidend wie eben den Radarsignalen.

Mit dem Multiple-Recording-Modus (Bild 5) lassen sich mehrere Trigger-Ereignisse zusammen mit einer kurzen Nachladezeit von etwa 64 ns bei einer Abtastrate von 5 GS/s aufzeichnen. Der Erfassungsspeicher ist in mehrere gleich große Segmente unterteilt, dabei wird für jedes Trigger-Ereignis eines dieser Segmente gefüllt. Die Erfassung stoppt zwischen den Trigger-Ereignissen, um Speicherplatz zu sparen.

Die Totzeit wird nicht aufgezeichnet

Bild 1: Ein typisches gepulsten HF-Radarsignals wird erfasst und anschließend erfolgt die RMS-Analyse. Damit lassen sich wichtige Parameter der Hüllkurve ermitteln.
Bild 1: Ein typisches gepulsten HF-Radarsignals wird erfasst und anschließend erfolgt die RMS-Analyse. Damit lassen sich wichtige Parameter der Hüllkurve ermitteln. (Bild: Spectrum Instrumentation)

Der Benutzer kann Zeiträume vor und nach dem Trigger auswählen und programmieren, die dann in den Segmenten aufgezeichnet werden. Die Anzahl der Segmente ist nur durch den verwendeten Speicher begrenzt und im FIFO-Erfassungsmodus (First-In-First-Out) sogar unbegrenzt. Jedes Trigger-Ereignis ist mit einem Zeitstempel versehen, so dass die genaue Position jedes Triggers bekannt ist. Zeitstempel des Mehrfacherfassungs-Modus werden in einem zusätzlichen Speicher auf der Karte abgelegt und bei Bedarf ausgelesen. Das spart Speicherplatz, da die Totzeit nicht aufgezeichnet wird. Die Triggerimpulse aus Bild 1 sind etwa 10 µs breit mit einer Totzeit von 90 µs, so dass im Mehrfacherfassungs-Modus 90 µs nicht aufgezeichnet werden und somit im gesparten Speicherplatz weitere neun Impulse aufgenommen werden können. Dieser Modus hilft, um Puls-zu-Puls-Änderungen im Radarbetrieb zu untersuchen.

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* Oliver Rovini ist technischer Leiter bei Spectrum Instrumentation in Großhansdorf bei Hamburg. Arthur Pini ist Test&Measurement-Ingenieur in New York/USA.

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