通过上面的描述我们知道,一个矩形波形的傅里叶变换是Sinc函数。那么,周期性矩形波形的傅里叶变换是什么样的呢?根据信号处理基础理论,时域的周期化,对应频域的离散化,因此周期性矩形的傅里叶变换是离散-形式的Sinc函数,可以认为是连续的Sinc函数的等间隔离散采样。如下图所示:

图4 离散化后的Sinc函数
真实世界中,真实的电磁信号,有周期矩形波形这种形式吗?哪种电磁信号的波形是周期矩形波形这种形式呢?这不能在各种通信信号中寻找,因为周期矩形不能携带通信系统要传输的信息。即使最原始的电报信号,为了传输各种码字,也不是周期发送的。真实应用中,严格按照周期发射矩形脉冲的信号其实是雷达脉冲信号。最简洁,最经典,最早获得应用的雷达脉冲信号就是周期发射的、矩形形状的脉冲信号,脉冲的脉宽,脉冲的周期都是固定的一个数值,通常在微秒这个数值级别。
一个有意思的事情是,接收到雷达脉冲信号后,完全可以通过雷达脉冲信号的频谱,就可估算出它的脉冲宽度和脉冲重复周期。通过一个频谱仪,或者一个监测接收机就可做这个事情。
通常我们在频谱图上,看到的雷达脉冲信号频谱形状就是上面描述的Sinc函数形状,跟众多通信信号不同,雷达脉冲信号的旁瓣很大,也很多,且沿雷达脉冲信号中心频率两侧逐渐衰减,衰减趋势完全遵循Sinc函数的衰减特性。
一个典型雷达脉冲信号的频谱如下图所示,如果仔细观测雷达脉冲信号的频谱,用marker测量雷达脉冲信号的主瓣带宽和旁瓣带宽,会发现各个旁瓣带宽是相同的,至少幅度不同而已。而且主瓣的宽度似乎正好是旁瓣带宽的两倍。

图5 雷达脉冲信号的频谱
如果我们提高频谱仪或接收机频谱分析的频谱分辨率,就可看到这个脉冲信号频谱的细节,如下图所示,可以看到,雷达脉冲信号的频谱其实是离散的,就像很多梳子齿一样,由很多离散的谱线构成,而且这些梳子齿形状的谱线的间隔是相同的。

图6 雷达脉冲信号的频谱(放大细节后)
那么,如何通过这个频谱估算脉冲信号的脉宽和重复周期呢?简单说,在频谱上,旁瓣的带宽的倒数,就是脉冲宽度;那些梳子齿(离散的谱线)的间隔的倒数,就对应脉冲重复周期。因为脉冲重复周期总是大于脉宽的,取倒数后,到了频域,自然旁瓣宽度就大于梳子齿的宽度了。
用PW表示脉冲宽度,用PRI表示脉冲重复周期,则可总结出如下规律:
1.旁瓣带宽 = 1/PW;主瓣带宽等于2倍的旁瓣带宽;同时也意味着脉宽越窄,主瓣/旁瓣的带宽越大;1微秒脉宽的脉冲,主瓣宽度2MHz;10ns脉宽的脉冲,主瓣宽度就增加到200MHz,加上众多的旁瓣,脉宽的总带宽就更大了。
2.离散的谱线间距 = 1/PRI;意味着若是10%占空比,重复周期是脉宽的10倍,则每个旁瓣内就有10根离散谱线。脉冲重复周期越大,意味着离散的谱线间隔越小。
为什么会有这个规律呢,可以从脉冲信号的傅里叶变换后的Sinc函数特性分析:
一个脉冲可看作一个矩形方波x(t),脉宽为τ,其傅里叶变换后的频谱公式为:

也就是上面提到的Sinc函数形式。当f = 1/τ的整数倍时,上式为0,也就是幅度谱在这些频点的幅度为0,也就形成了多个等间隔分布的旁瓣。因此通过主瓣/旁瓣的宽度,就可倒推出脉冲的宽度。真实的雷达脉冲不止1个,通常是周期发射的,周期为T。通过傅里叶变换理论可知,周期函数的频谱是离散形式的,因此周期脉冲的傅里叶变换如下:

频谱的形状仍是Sinc函数形式,因此主瓣/旁瓣宽度是相同的。但由于频谱离散化了,只在部分频点有频谱分量,这些频点是等间隔分布的,间隔就是1/T。这也是频谱仪上看到的那些小梳子(谱线)的间隔。