Анализ рабочих характеристик импульсных, частотно-модулированных и фазово-кодированных сигналов
Приложение Pulse Waveform Analyzer позволяет исследовать свойства сигналов, обычно используемых в радаре. Можно отображать 2-D и 3-D графики, позволяющие визуализировать временные ряды и спектры формы волны.
Приложение позволяет изменять параметры формы сигнала и видеть, как различные значения параметров влияют на внешний вид и свойства формы сигнала. Параметры формы сигнала включают в себя частоту повторения импульсов (PRF), длительность импульса и ширину полосы частот. Приложение отображает основные характеристики формы сигнала, такие как разрешение диапазона, доплеровское разрешение и максимальный диапазон. При запуске приложения по умолчанию отображаются вкладки Вещественные и Мнимые и Спектр. Можно одновременно наложить графики нескольких форм сигнала.
С помощью этого раскрывающегося меню можно выбрать различные типы дисплеев. Для изменения формата по умолчанию можно также изменить порядок вкладок с помощью перетаскивания.
Приложение позволяет анализировать следующие типы сигналов:
Прямоугольный
Линейная частотная модуляция (LFM)
Пошаговый FM
Фазово-кодированные формы сигналов
Форма сигнала постоянной частотной модуляции (FMCW)
Формы сигналов можно экспортировать как переменные рабочего пространства или файлы, содержащие:
Система фазированных массивов Toolbox™ объекты формы сигнала, такие как phased.LinearFMWaveform.
Панель инструментов радара
pulseWaveformLibrary объекты.
Панель инструментов радара
pulseCompressionLibrary объекты.
В Simulink ® можно использовать блоки формы сигнала, блоки согласованного фильтра и блоки растягивающего процессора. Также можно использовать блоки «Библиотека импульсных колебаний» и «Библиотека импульсного сжатия», доступные в панели инструментов радара.
Вы также можете использовать это приложение в гидроакустических приложениях, выбрав соответствующую скорость распространения.
Панель инструментов MATLAB ®: на вкладке «Приложения» в разделе «Обработка сигналов и связь» выберите значок приложения или
командная строка MATLAB: Enter pulseWaveformAnalyzer. Способы программного использования приложения см. в разделе Программное использование.
В этом примере показан анализ прямоугольной формы сигнала. Идеальный прямоугольный сигнал мгновенно переходит на постоянное значение и остается там в течение некоторого времени. Измените порядок вкладок Параметры (Parameters) и Характеристики (Characteristics), чтобы сделать графики больше.
При открытии приложения на вкладке «Библиотека» отображается прямоугольная форма сигнала по умолчанию, а на центральной панели - форма или спектр сигнала. Сначала установите частоту дискретизации (Гц) равной 3 МГц. Одинаковая частота дискретизации применяется ко всем анализируемым сигналам.
Можно переименовать форму сигнала, щелкнув ее имя правой кнопкой мыши. Изменить имя на RectangularPulse.
Рассчитать импульс на максимальную дальность 50 км. Для этого диапазона время распространения и возврата сигнала составляет 333 мкс. Поэтому допустим 333 мкс между импульсами, что эквивалентно частоте повторения импульсов (PRF) 3000 Гц.
Установите для параметра Pulse Width значение 50 мкс.
Измените значение скорости света в поле «Скорость распространения» на более точное, введя physconst('Lightspeed'). Переменные рабочей области и функции MATLAB можно использовать в любом редактируемом поле.
После установки зеленой галочки приложение отобразит разрешение диапазона приблизительно 7,5 км на вкладке «Характеристики». На этой панели можно выполнить прокрутку вправо для просмотра других свойств. Разрешение диапазона прямоугольного импульса приблизительно равно 1/2 длительности импульса, умноженной на скорость света. Доплеровское разрешение приблизительно равно ширине преобразования Фурье импульса.
На центральной панели окна выберите вкладку «Вещественные и мнимые» для печати формы сигнала.
Выберите вкладку «Спектр» в центральной панели окна, чтобы показать спектральную плотность мощности.
Можно отобразить диапазон соединения - доплеровское разрешение, выбрав пункт Поверхность (Surface) в меню Графики неоднозначности (Feaduity Plots).
В этом примере показано, как улучшить разрешение диапазона с помощью линейного ЧМ-сигнала. В предыдущем примере разрешение по дальности прямоугольного импульса было низким, приблизительно 7,5 км. Можно улучшить разрешение диапазона, выбрав сигнал с большей полосой пропускания. Хорошим выбором является линейный ЧМ-импульс.
На вкладке «Параметры» измените форму сигнала на Linear FM. Затем измените имя формы сигнала на LinearFMWaveform. Этот тип импульса имеет переменную частоту, которая может либо увеличиваться, либо уменьшаться как линейная функция времени. Частота дискретизации не должна превышать 3 МГц.
Выберите направление протягивания как Upи пропускная способность Sweep как 1 МГц.
Можно видеть, что сохранение той же ширины импульса, что и в предыдущем примере, улучшает разрешение диапазона до 150 м, как показано на вкладке «Характеристики».
В то время как разрешение диапазона становится лучше, разрешение Доплера хуже, чем разрешение прямоугольной формы сигнала. Это можно увидеть, выбрав график неоднозначности поверхности. На вкладке Функция неоднозначности (Неоднозначность Function-Surface) показан компромисс между доплеровским разрешением и разрешением диапазона.
В этом примере показано, как отображать спектрограмму линейного ЧМ-сигнала с переназначением частоты и без него.
Используйте те же параметры сигнала, что и в предыдущем примере.
Выберите Спектрограмма (Spectrogram) в раскрывающемся меню Графики сигнала (Signal Plots). Затем установите флажок Переназначить (Reassigned), чтобы показать переназначенную спектрограмму частоты (переназначение включено по умолчанию). Установите пороговое значение -100 дБ. Переназначение частоты - это методика заточки амплитудной спектрограммы сигнала с использованием информации из его фазового спектра. Для получения дополнительной информации о переназначении частоты см. Fulop and Kelly (2006) [1].
Можно изменить значение параметра Порог (Threshold), чтобы показать или скрыть более слабые компоненты спектра.
Для просмотра обычной спектрограммы снимите флажок Переназначить (Reassigned).
Снова можно изменить параметр «Пороговое значение», чтобы показать или скрыть более слабые компоненты спектра.
В этом примере показано, как отображать два сигнала одновременно.
Сначала создайте прямоугольный сигнал с теми же параметрами, что и в первом примере. Затем переименуйте форму сигнала в RectangularPulse.
Затем создайте сигнал LFM. Нажмите кнопку Add Waveform. Переименование второй формы сигнала в LinearFMPulse. Установите для параметров формы сигнала те же значения, что и во втором примере.
Выберите оба сигнала на панели «Библиотека», удерживая нажатой клавишу Ctrl. Теперь на дисплее отображаются формы сигналов, спектры и характеристики для обеих форм сигналов.
Можно запустить pulseWaveformAnalyzer из командной строки.
pulseWaveformAnalyzer(wav)pulseWaveformAnalyzer( открывает приложение Pulse Waveform Analyzer и импортирует и отображает форму сигнала wav)wav. wav может быть переменной в рабочем пространстве, представляющей объект формы волны, такой как:
wav = phased.LinearFMWaveform('SampleRate',fs, ... 'SweepBandwidth',200e3,... 'PulseWidth',1e-3,'PRF',1e3); pulseWaveformAnalyzer(wav)
pulseWaveformAnalyzer(phased.LinearFMWaveform( ... 'SampleRate',fs, ... 'SweepBandwidth',200e3,... 'PulseWidth',1e-3,'PRF',1e3))
pulseWaveformAnalyzer(wavlib)pulseWaveformAnalyzer( открывает приложение Pulse Waveform Analyzer и импортирует wavlib)pulseWaveformLibrary объект, wavlib. Например, построить объект библиотеки форм сигнала из трех форм сигнала с общей частотой дискретизации 1 МГц. Затем выполните из командной строки:
waveform1 = {'Rectangular','PRF',1e4,'PulseWidth', 50e-6};
waveform2 = {'LinearFM','PRF',1e4,'PulseWidth',50e-6, ...
'SweepBandwidth',1e5,'SweepDirection','Up',...
'SweepInterval', 'Positive'};
waveform3 = {'PhaseCoded','PRF',1e4,'Code','Zadoff-Chu', ...
'SequenceIndex',3,'ChipWidth',5e-6,'NumChips',8};
fs = 1e6;
wavlib = pulseWaveformLibrary('SampleRate',fs, ...
'WaveformSpecification',{waveform1,waveform2,waveform3});
pulseWaveformAnalyzer(wavlib)
pulseWaveformAnalyzer(comprlib)pulseWaveformAnalyzer( открывает приложение Pulse Waveform Analyzer и импортирует comprlib)pulseCompressionLibrary объект, comprlib. Например, используя формы сигнала из примеров прямоугольной формы сигнала и линейной формы сигнала ЧМ, создайте согласованный фильтр для прямоугольной формы сигнала и процессор растяжения для линейной формы сигнала ЧМ. Установите частоту дискретизации 3 МГц, длительность прямоугольной волны 25 мкс, длительность линейной волны 50 мкс и частоту повторения импульсов 3000 Гц. Экспортируйте сжатые формы сигнала в приложение формы сигнала с помощью следующих команд:
fs = 3e6;
rectpw = 25e-6;
linpw = 50e-6;
prf = 3e3;
waveform1 = {'Rectangular','PRF',prf,...
'PulseWidth',rectpw};
waveform2 = {'LinearFM','PRF',prf,'PulseWidth',linpw,...
'SweepBandwidth',1e6,'SweepDirection','Up',...
'SweepInterval','Positive'};
procspec1 = {'MatchedFilter','SpectrumWindow','Hann'};
procspec2 = {'StretchProcessor','ReferenceRange',5000,...
'RangeSpan',200,'RangeWindow','Hamming'};
comprlib = pulseCompressionLibrary(...
'WaveformSpecification',{waveform1, waveform2},...
'ProcessingSpecification',{procspec1, procspec2},...
'SampleRate',fs,'PropagationSpeed',physconst('Lightspeed'));
pulseWaveformAnalyzer(comprlib)
[1] Фулоп, Шон А. и Келли Фитц. «Алгоритмы вычисления мгновенной частотной (переназначенной) спектрограммы с учетом времени, с приложениями». Журнал Акустического общества Америки 119, № 1 (январь 2006): 360-71.