運用本地振盪器替代法，實現高效雷達特性分析與故障診斷
此白皮書重點在介紹雷達的核心功能，內容涵蓋發射與接收路徑中的射頻及微波訊號處理，並深入分析本地振盪器（LO, Local Oscillator）在系統中扮演的角色，及其效能如何牽動整體運作，最後，文章將透過一部高效能訊號產生器，透過本地振盪器替代法，精準地對本地振盪器的行為特性進行分析，雷達技術廣泛應用於軍事和民用領域，在國防監控、氣象觀測，乃至空中交通管制（ATC, Air Traffic Control）等應用中，都扮演著不可或缺的關鍵角色。
雷達系統運作原理
雷達天線發射的無線電波在擊中目標物（如飛機或車輛）後，部分能量會被散射回天線，雷達系統會擷取、處理並分析這些反射訊號，藉此判斷目標的詳細資訊，舉例來說，回波訊號的功率強度，可用於推估目標的尺寸大小，若再納入訊號從發射到被重新擷取的時間差，系統就能精算出目標的所在距離。
透過「都卜勒效應」此一物理現象，都卜勒雷達能提供更豐富的目標動態資訊，例如移動方向等，相較於發射時的原始脈衝，當目標朝著靜止的雷達移動時，其反射訊號的頻率會向高頻偏移；反之，當目標遠離雷達時，回波訊號的頻率則會向低頻移動。
圖 1：雷達系統升頻與降頻鏈路的簡化方塊圖。
圖 1 為雷達系統的簡化方塊圖，用以說明其基礎架構，在許多設計中，雷達系統會共用單一天線來執行發射與接收，此時，透過雙工器的元件，便能讓系統在共用天線的基礎上實現雙向通訊，在圖 1 的架構中，環行器即扮演著雙工器的角色，負責調度發射與接收訊號。
升頻程序包含數個處理階段，用以將雷達訊號調整至適合發射的狀態，首先，混波器會將頻率較低的中頻（IF）發射訊號，與由本地振盪器產生的高穩定度、高頻譜純淨度的射頻訊號進行合路，本地振盪器輸出的訊號，會將中頻雷達訊號提升至更高的目標頻率，接著，帶通濾波器會濾除不必要的混頻產物，最後，高功率放大器（HPA）再將訊號放大至所需的發射功率，以確保雷達系統的偵測距離與最小目標雷達截面積都能達到設計要求。
當雷達天線接收到來自目標的反射能量後，訊號會依序通過數個處理階段，首先，低雜訊放大器（LNA）會放大微弱的訊號功率，同時抑制雜訊的增加，以維持良好的訊噪比（SNR），接著，頻率濾波器會隔離出目標頻段，並濾除所有非目標頻段訊號，在此階段，混波器會將雷達回波與另一個由本地振盪器產生的訊號進行合路，藉由本地振盪器的輸出，將接收到的高頻訊號降頻至較低的中頻，因為此頻段的訊號，更適合在後續的數位處理階段中進行運算與分析。
關鍵的本地振盪器技術規格
無論在升頻或降頻鏈路中，本地振盪器都是極其關鍵的元件，業界有多項重要指標可用來評估本地振盪器的行為與效能，其中最重要的兩項便是相位雜訊與頻率切換速度。
相位雜訊
在理想狀態下，本地振盪器應在單一特定頻率上，產生一個相位絕不飄移的完美穩定訊號，然而，在真實世界的應用中，任何本地振盪器的輸出訊號都難免存在瑕疵，例如訊號相位的隨機性飄移，此現象即為相位雜訊。
相位雜訊對雷達系統的效能有著決定性的影響，它會直接限制接收器解析都卜勒頻移目標資訊的精確度，接收訊號的功率，與目標的尺寸直接相關，體積較小或具備匿蹤特性的目標，所能反射的雷達脈衝能量自然較少，這也表示相較於雷達截面積較大的目標，這些微弱的回波訊號更容易被雜訊淹沒。
除了我們感興趣的目標反射外，自然環境或人造物體也會反射雷達脈衝，形成所謂的雜波，這些不必要的雷達回波，可能來自海面（海面雜波）、大氣效應（氣象雜波），或是山脈、建築等（地面雜波），來自非目標物、功率更強的競爭性反射訊號，可能會完全覆蓋來自小型目標的微弱訊號，從而大幅增加了系統受相位雜訊干擾的風險。
圖 2：大型雜波回波的相位雜訊（橘色部分）阻礙了對目標的成功偵測。
圖 2 清楚地展示了大型雜波回波所伴隨的相位雜訊，如何掩蓋了來自小型飛行器的都卜勒頻移回波訊號；因此，在降頻轉換過程中，一部能夠引入極低相位雜訊的本地振盪器，對於提升接收器的整體靈敏度至關重要。
切換速度
頻率捷變是指雷達系統在不同操作頻率之間，進行快速且偽隨機切換的能力，具備頻率捷變能力的雷達，對於意圖發射干擾訊號以癱瘓雷達的電子攻擊，擁有更強的抗干擾能力，透過在不同操作頻率間跳躍，雷達系統不僅能避開針對特定頻段的干擾，也能在密集的無線通訊環境中，主動避開已被其他系統佔用的頻譜，找到乾淨的通道來運作。
精準的頻率轉換，完全仰賴本地振盪器的效能，在頻率捷變雷達中，本地振盪器必須能即時、快速地切換到目標頻率，才能順利接收並處理動態變化的訊號。
當頻率進行切換時，訊號需要一段時間才能在新頻率上完全穩定下來，這段時間稱為穩定時間，在訊號穩定之前，可能會出現過衝與振鈴等暫態失真，這些現象對於某些雷達系統（例如壓縮高強度輻射脈衝（CHIRP）雷達）的效能會產生負面影響。
CHIRP 雷達是透過頻率調變（FM）訊號來同時滿足偵測距離與解析度的要求，其訊號頻率在脈衝持續時間內會呈現線性或非線性的變化，雷達回波在接收後會經過脈衝壓縮處理，將寬脈衝壓縮成一個時間更短的窄脈衝。
經過降頻與壓縮處理後，在主能量脈衝的兩側，會自然產生稱為時間旁瓣的不必要假影，雖然時間旁瓣是固有的物理現象，但不良的本地振盪器會使此現象惡化，若本地振盪器的頻率穩定時間不足，將會產生額外的時間旁瓣，從而提高系統誤判目標的風險。
本地振盪器替代法與高效能訊號產生
為了確保雷達系統的整體準確性，本地振盪器的相位雜訊、切換速度及其他效能指標都必須符合嚴格的標準，本地振盪器替代法是一種有效的測試手段，其核心概念是將系統中原有的本地振盪器，暫時替換為一台具備頂尖效能的訊號產生器，當替換上的訊號產生器解決了原有的效能問題時，工程師便能確認，系統中的本地振盪器就是造成故障或效能不彰的根本原因。
即使已確認本地振盪器故障，或因故無法取得該元件，工程師依然能透過高效能訊號產生器提供的純淨訊號，精準地完成對升頻與降頻鏈路的測試。
一般而言，要在合理的預算內，找到一台能同時提供低相位雜訊與高速切換，而效能又毫不妥協的訊號產生器，是相當困難的挑戰，表 1 整理了三種主流的頻率合成架構，及其在關鍵參數上的表現差異，這三種架構分別是直接類比合成（DAS）、直接數位合成（DDS）以及採用相位鎖定迴路（PLL）的間接合成技術。
|
參數 |
直接類比合成 |
直接數位合成 |
間接合成 |
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相位雜訊 |
低 |
低 |
效能取決於 PLL 頻寬設定，可能與切換速度存在取捨關係 |
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頻率切換速度 |
快 |
快 |
效能取決於 PLL 頻寬設定，可能與相位雜訊存在取捨關係 |
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成本 |
因元件數量多而高昂 |
低（但取決於輸出頻率） |
中等 |
直接類比合成（DAS）架構雖能達到奈秒等級的切換速度與優異的低相位雜訊，但其複雜的設計（包含倍頻、分頻、混頻與濾波等大量元件），也直接導致了高昂的成本與較大的體積。
直接數位合成（DDS）是透過數位電路，利用參考振盪器、相位累加器與數位類比轉換器（DAC）來產生訊號，此架構能提供微秒等級的切換速度與低相位雜訊，然而，DDS 的輸出訊號中可能含有較高位準的雜散訊號，且其成本與輸出頻率直接相關，通常頻率越低、成本也越低。
一款結合了 DDS 與 DAS 架構優點的訊號產生器，例如 Boonton SGX1000 系列，能夠以極具吸引力的成本效益，同時實現優異的低相位雜訊與高速切換效能，這讓工程師能充滿信心地透過本地振盪器替代法，對先進的雷達系統進行深入的測試與驗證（如圖 3 所示）。
圖 3：高效能訊號產生解決方案（左）以及作為本地振盪器替代方案的 SGX1000 系列（右）。
適用於雷達測試的本地振盪器替代解決方案
本地振盪器的效能，深刻影響著整體雷達系統的運作表現，尤其是在相位雜訊與頻率捷變這兩大面向，過高的相位雜訊不僅會降低接收器的靈敏度，更可能遮蔽掉微弱的雷達回波；而不足的頻率切換速度，則會削弱雷達的抗干擾能力，甚至產生導致誤判的雜訊假影。
在測試過程中導入本地振盪器替代法，並使用一部高效能的訊號產生器，將有助於工程師精準鎖定問題根源，並對升、降頻鏈路進行有效的特性分析，如同 SGX1000 系列的訊號產生解決方案，以其小型化、低成本的設計，提供了超低相位雜訊與高速頻率切換速度，這種兼具各項優勢、無需在效能上妥協的設計，確保了對各類型雷達系統進行升、降頻轉換器測試的效率與準確性。
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