多调制信号和跳频信号解调（二）：MSRA模式的应用

随着通信技术的发展，除了上一期所述的一些多调制信号以外，雷达通信所面临的环境也越来越复杂。从之前的发射和接收简单脉冲信号的雷达，到使用线性调频信号的雷达，抗干扰能力逐渐成为雷达信号研究的重点。为了提高抗干扰和电子对抗能力，随机跳频信号以及脉内相位编码信号近年来开始投入了应用。但是如何对随机跳频信号的脉内信号进行解调也是成为了一个难题。本文将介绍使用R&S频谱仪的MSRA(Multi-Standard Radio Analyzer)功能，对上一期的多调制信号以及带有脉内调制的随机跳频雷达信号进行解调。该模式具有多个测试模式之间联动的优势，从而可以进行一般信号分析仪无法达成的测试。  

PART 01

多调制信号的解调

在上一期中，我们了解了如何使用K70M选件进行多调制信号的解调。本期中，我们将使用另外一种不借助K70M选件的方法,来对同样信号进行解调。

在R&S FSW型号的频谱仪上，标配有MSRA(Multi-Standard Radio Analyzer)测量模式。与普通的模式不同的是，在这种模式下，仪器会采集一段信号对应的IQ数据，之后，该模式中的所有其他分析窗口（如VSA，pulse等）会对采集的该段IQ数据进行分析。并且在各个分析窗口中，时间上是同步的（普通模式下各个channel是分时进行的）。因此，解调多调制信号时，可以利用这个特点，对同一段波形分别使用不同的VSA窗口来解调不同调制方式的信号，一个VSA窗口解调Pilot部分帮助定位，另外一个VSA窗口借助该定位进行Payload部分的解调。

以下进行多调制信号的解调。与上一期一样，使用信号源发出制作好的波形，发送至频谱仪，修改中心频率为1GHz。参考电平切换至合适的值。

点击实体按键mode按钮，选择Multi-Standard Radio Analyzer选项卡，切换至MSRA模式。

 

在测试模式中选择MSRA模式

进入MSRA的主界面后，除了设置中心频率和参考电平，还需要点击data acquisition，在这里设置sample rate和meas time，后续所有测试界面中的sample rate和meas time都不能超过此时设置的值。在本例中默认的设置范围已经足够，因此不需要单独进行修改。

 

MSRA模式中数据获取的配置界面

点击mode，打开两个VSA窗口。分别分析QPSK调制的Pilot和16QAM调制 的Payload。第一个VSA中，signal description菜单里设置调制方式为QPSK，同时勾选pattern。

 

VSA1中的信号配置

同样，修改signal capture length为2000symbol。与使用K70M时的设置不同，这种模式下，range setting中的result length设置为40sym（因为QPSK的Pilot长度只有40），可以得到如下结果：

 

VSA1中配置完pattern的解调结果

此时，对于Pilot解调的EVM很差，星座图也比较乱。因为仪表默认是将同步的8个pattern放在了捕获信号的中间，而实际上这8个pattern的位置是symbol的9-16位。因此默认设置下会导致捕获了16QAM的信号而恶化EVM。

在result range菜单下设置alignment为left，同时offset设置-8，表示在pattern的前面还有8位symbol，如下图所示。这样我们就可以通过pattern同步来成功捕获到完整的QPSK信号。

 

由于pattern的位置，需要在分析结果中设置偏移以准确的找到所有的pilot

此时解调结果的星座图正常，而且如右下角所示，pattern也在40位symbol的第9-16位。

 

置完偏移后，VSA1的EVM解调正常

如上图所示，此时Pilot部分解调成功。我们接下来需要对VSA2进行设置，VSA2中信号描述设置为16QAM，不需要勾选pattern。

 

VSA2中的信号解调设置

修改signal capture length为2000。另外，range setting菜单下的result length需要设置为960sym（因为16QAM信号的长度只有960symbol），可以得到如下结果：

 

仅设置完信号调制方式之后的解调结果

此时可以发现EVM较差，解调并未成功，因为目前仪表无法准确定位信号中的16QAM部分。在MSRA模式下，所有VSA的采集时间都是同步的，因此我们需要借助VSA1中的pattern来定位时间。根据VSA1的时间来修改VSA2中分析的时间段，从而准确定位并解调出16QAM信号。

示例信号的帧结构中，16QAM信号是紧跟着pattern信号的，中间没有间隔。因此，通过观察VSA1中信号结束的时间，可以得知在本次采集中16QAM信号开始的时间。

 

由VSA1解调的pilot部分获得payload的起始时间信息

如上图，在2000个symbol的采集中得到了两个pattern，我们对靠前的一个pattern进行分析（选取方法点击sweep，选择select result rng #2，将其改为1定位至第一段），因为第一个pattern后面才会有一个完整的960symbol长度的Payload部分。

如上图红框所示，Pilot的测量时间为444-484us。因此在VSA2中，需要从484us开始对后面的960个symbol进行分析，从而得出16QAM调制信号的解调结果。在VSA2中，点击range settings，通过offset项可以修改采集的起始时间。本例中符号率为1Msym/s，因此1个symbol对应的时间为1us，那么484us对应484个symbol，将offset设置为484。

 

根据VSA1获得的起始时间信息，在VSA2中的结果设置合适的偏移

此时结果如下：

 

设置完偏移之后的payload部分的解调结果

如红框所示，此时的分析时间已经改好，EVM和星座图都正常。至此，多调制信号的解调完成。

PART 02

跳频信号的EVM测量

在雷达通信中，经常会使用到跳频信号。而有一些跳频信号的脉内也会有一些矢量调制信号，在测试中，我们经常希望对这些跳频信号脉内的矢量调制信号的EVM进行测量。

但是，在跳频信号中，信号的中心频率是一直在变化的，甚至在随机跳频信号中，我们无法事先得知其确切的中心频率，这就给使用矢量信号分析（K70）选件测试EVM带来了困难（因为矢量解调的前提是需要知道其中心频率）。

在MSRA模式中，我们可以借助K60H跳频分析选件，对捕获到的信号测量出每一段跳频的频率以及其开始的时间。之后，我们可以带着这些信息在K70矢量信号分析选件中进行准确的解调。以下为操作步骤。

01 信号产生

首先，我们需要借助pulse sequencer产生一段带有脉内矢量调制的跳频信号。

关于pulse sequence：

Pulse Sequencer 软件是R&S 公司针对雷达与电子对抗应用推出的脉冲波形生成软件，该软件与R&S 矢量信号发生器结合为用户提供了极具吸引力的雷达信号与复杂电磁环境模拟解决方案。该软件即支持简单的脉冲串场景，也可生成具有到达角 (AoA) 的高难度测向场景，支持包含地图和多个移动发射机平台的真实场景。需要详细了解可以咨询R&S技术人员）

Pulse sequencer脉内调制设置

在pulse sequencer中设置脉内调制方式为QPSK，同时为了计算方便，符号率设置为1MHz，滤波器选择跟余弦，滚降系数为0.2。

脉冲信号周期

将脉冲周期与脉宽都设置为100us，这样就可以制作称为连续跳频信号。最后，我们设置脉间调制的频率偏移：

随机跳频的偏移频点列表

设置频率参数为列表随机，按上图这样应用之后，我们就可以得到9个中心频率的跳频状态的信号，并且这9个状态是随机出现的，可以用来模拟实际场景中的随机跳频信号。

将制作完成的波形拷贝至装有K300选件的信号源，之后，与上一个例子一样，在baseband里选择ARB选项进行播放。

02 信号分析

将信号源连接至FSW频谱仪，开启FSW的MSRA模式，设置信号源和频谱仪的中心频率一致，本例中均为1GHz。上述波形中，跳频的带宽大概是±10MHz。因此，在FSW上，设置分析带宽（ABW）大于20MHz即可，本例中我们设置为80MHz。

测试时间（meas time）设置为1ms，这样捕获下来的信号一共有1000个symbol。 

 

MSRA模式数据捕获设置

设置完成之后，点击mode实体按键，选择瞬态测试（Transient Analysis）选件，在这个窗口下，我们需要借助瞬态测试选件帮助我们对跳频信号的中心频率以及起始时间进行分析。

点击meas config实体按键，然后在右侧点击Data Acquisition，对瞬态测试的捕获带宽和时间进行设置，在本例中，我们可以把捕获带宽和分析带宽都设置为20MHz，捕获时间设置为1ms 

 

K60选件数据捕获设置

由于测试信号的脉内为QPSK调制，并且符号率为1MHz，因此，脉内的信号是一个宽带信号，可能会影响FSW的判断。

点击BW实体按键，将FM Video BW设置为3%，这样可以滤除调脉内的抖动，从而更好的进行跳频信号的测试：

 

设置3%的FM VBW，以更好的寻找中心频率

设置完瞬态测试的界面之后，点击实体按键mode，选择矢量信号分析功能（VSA）。在VSA界面中，设置中心频率为1GHz，之后，点击meas config实体按键，在signal description中设置好矢量信号的调制方式，符号率和滤波器，与制作信号时的参数保持一致：

 

VSA选件信号解调设置

之后，点击signal capture，更改捕获的长度为1000sym（默认为8000），与之前设置的捕获时间保持一致，如下图所示： 

 

信号捕获长度设置

设置完两个界面的参数之后，回到瞬态测试（Transient Analysis）界面，点击run single，可以看见仪表采集了一段数据并且显示出了参数。

我们对第一段完整的跳频信号（黄框）进行分析，通过下方的表格，我们可以得知，这段信号的起始时间为0.073ms，频率偏移为-5000kHz。有了这两个数据，我们可以在矢量信号分析功能中，通过修改中心频率和分析范围来对这一段信号进行EVM的测试。

 

在K60瞬态测试界面获得跳频信号的中心频率、起始时间等信息

打开VSA界面，修改中心频率为1GHz-5000kHz=995MHz

 

修改VSA界面中的中心频率

点击meas config实体按键，在result range里修改分析的范围和偏移的符号数。

由于信号的符号率为1MHz，并且在瞬态测试中我们得知信号从0.073ms开始，因此这一段跳频信号是从第73个symbol开始的，持续100个symbol。在实际运用中为了减小频率和相位跳变的干扰，往往会舍弃信号的开头和末尾的一部分内容，本例中我们舍弃前后各5个symbol，也就是从第78个symbol开始分析90个symbol。

设置result range为90，offset设置为78，如下图所示：

 

舍去前后各5个不稳定的symbol，对中间90个symbol进行分析

设置完之后，还需要点击sweep实体按键，点击refresh，这个功能的作用是根据刚才设置的频率、结果长度等参数对同一段信号重新进行分析（不会采集新的信号）。之后，将Select Result Rng改为1

 

对捕获到信号进行refresh操作，根据新设置的参数对同一段信号重新分析

设置完成之后，如下图所示，此时的分析时间已经改好（78us-168us）.右下的窗口中，蓝框显示的分析范围正常，EVM和星座图都正常，至此，跳频信号的EVM解调已经完成。

 

根据瞬态测试得到的中心频率和起始时间修改参数之后重新进行解调测试

如果需要对后面的几段信号进行分析，只需要根据瞬态测试的结果修改中心频率和偏移的符号数即可。如下图所示，以第二段完整跳频信号为例。

 

对第二段跳频信号进行解调测试，主要需要重新设置中心频率和起始时间

总结

由上述的两个测试示例可以发现，使用MSRA功能进行测试时具有以下特点：

1、可以不借助K70M选件进行多调制方式信号的解调，但是需要单次采集之后通过修改分析时间段来进行解调。 

2、通过MSRA模式可以实现不同测试模式之间的联动，不仅仅是文中提到的瞬态测试和矢量信号解调测试，还支持脉冲测试、模拟解调测试以及5G NR、OFDM等通信测试模式。通过以上多种测试模式之间的联动，在实际应用中可以测量出普通频谱仪无法测试的一些参数。

审核编辑：刘清