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Compression d’impulsion

UEntrée
USortie

Figure 1 : Les signaux d’entrée et de sortie d’un étage de compression

UEntrée
USortie

Figure 1 : Les signaux d’entrée et de sortie d’un étage de compression

Oszillogramm vom Eingangs- und vom Ausgangssignal einer Pulskompressionsstufe. Beim Eingangssignal ist das Rauschen größer als das zeitlich sehr lange modulierte Signal. Beim Ausgangssignal sind die einzelnen Abschnitte der Modulation auf eine zeitlich kleinere Einheit verzögert und addieren sich zu einer Signalstärke, die größer als das Rauschen ist.
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Figure 1 : Les signaux d’entrée et de sortie d’un étage de compression

Compression d’impulsion

La compression d'impulsion est une technique de traitement du signal utilisée dans le domaine du radar afin d'augmenter la résolution en distance de la mesure ainsi que le rapport signal sur bruit. À l’origine, la compression temporelle a donc été développée pour amplifier la puissance de l’impulsion transmise (puissance de pointe). L’idée générale est d’obtenir une impulsion longue, afin de conserver une énergie suffisante à la réception, sans pour autant sacrifier la résolution par rapport à une impulsion courte de puissance équivalente. La forme de l’impulsion est décrite dans la figure 1.

Son principe est le suivant: on génère un signal dont le support temporel est relativement long pour maximiser l’énergie émise. Cependant, on module ce signal de telle manière qu'après un filtrage adapté, l'inter-corrélation entre le signal reçu et les différentes fréquences du signal émis permet de résoudre les signaux de retours de plusieurs cibles qui pourraient se chevaucher à l’intérieure de la distance que représente la longueur de l’impulsion. Comme chaque partie de l’impulsion a sa propre fréquence, les retours sont complètement séparés.

L’inter-corrélation entre le signal reçu et le signal émis permet également de faire ressortir le vrai signal du bruit de fond qui a une distribution statistique de bruit blanc. Grâce à un filtre, le récepteur radar peut extraire ce dernier en utilisant une fréquence synchrone à l’impulsion modulée initiale. Même si le signal retourné par la cible est sous le niveau du bruit, la multiplication du signal par cette fréquence réajuste la phase des composantes du signal de retour ce qui fait ressortir le vrai signal. Cela permet d’allonger la portée utile du radar au-delà de ce que prédit l’équation du radar classique.

La distance aveugle (Rmin) est cependant plus grande avec cette technique par rapport à une impulsion conventionnelle de même résolution car l’impulsion compressée est beaucoup plus longue, comme on peut voir sur la figure 2. Le duplexeur qui alimente l’antenne avec le signal provenant du transmetteur ne peut commuter vers le récepteur qu’après la fin de l’impulsion, et dans le cas de l’impulsion compressée ce temps est beaucoup plus long.

Figure 2 : Impulsion classique courte (en bleu) et une impulsion longue transmise avec modulation d'impulsions interne (en vert)

Impulsion classique courte (en bleu) et une impulsion longue transmise avec modulation d'impulsions interne (en vert).

Figure 2 : Impulsion classique courte (en bleu) et une impulsion longue transmise avec modulation d'impulsions interne (en vert)

Rapport de compression d’impulsion

La compression permet à un récepteur d’améliorer la résolution en distance par rapport à une impulsion non compressée de même longueur. Pour une compression linéaire en modulation de fréquence d’une impulsion de durée τ par une modulation de bande passante B, on améliorera la résolution selon ce qu’on appelle le rapport de compression d’impulsion (RCI). Par exemple, une compression de 50 pour 1 veut dire que la distance de résolution est réduite à 1/50 par rapport à une impulsion conventionnelle. Le calcul de ce rapport se fait ainsi:

RCI = (c0 · τ /2) = B · τ (1)

(c0 / 2B)

RCI est le gain de puissance de l’impulsion compressée sur celle non compressée de même de durée, ce qui représente un gain du rapport signal sur bruit. On peut également trouver l’amélioration de la résolution en utilisant RCI selon:

Rrés = c0 · (τ / 2) = PCR · c0 /2 B (2)

Le rapport de compression est égal au nombre de sous-impulsions contenu dans l’onde émise, soit son codage par modulation. La résolution est donc proportionnelle à la durée d’un élément de ce codage. La portée maximale augmente comme la racine quatrième du RCI.

La distance aveugle (Rmin) de l’impulsion compressée ne change cependant pas par rapport à une impulsion non compressée de même longueur, le temps d’émission demeure en effet le même.

AdvantagesDésavantages
Faible puissance nécessaire et donc utilisable pour les transmetteurs à semi-conducteurs Électronique complexe
Augmentation de la portée utile Pas d’amélioration de la portée minimale
Amélioration de la résolution Lobes secondaires temporels
Meilleure immunité au brouillage 
Résout mieux les cibles 

Table 1: Avantages et désavantages de la compression

Lobes secondaires temporels
ISortie
t
lobes secondaires
de l'antenne
cibles
lobes secondaires temporels

Figure 3 : Vue des lobes secondaires temporels

Figure 4 : View of the Time-Side-Lobes at an oscilloscope and at B-scope: time sidelobes are range lobes; contrary to antenna side lobes (azimutally)
ISortie
t
lobes secondaires de
l'antenne (angulairement)
cibles
lobes secondaires
temporels (en distance)

Figure 3 : Vue des lobes secondaires temporels

Une impulsion compressée n’est pas une onde carrée mais une série d’oscillations comme sur la vue du signal sur l’oscilloscope (figure 3 en haut). L’oscillation avec la plus grande amplitude est le lobe principal alors que les autres sont appelés lobes secondaires temporels. Sur l’affichage de type B de la même figure, on peut voir que le retour de la cible sera étiré dans l’espace de la même manière. En effet, l’énergie venant des lobes secondaires la frappera à un temps différent du lobe principal et seront donc placés à une distance différente.

Ces lobes secondaires temporels sont donc importants dans la détermination de la compression et des filtres à utiliser. Un moyen de filtrer ces lobes indésirables à la réception est de pondérer les retours en fonction de l’amplitude du signal initial. Le lobe principal en ressortira mais il y aura perte d’intensité et donc diminution du rapport signal sur bruit. Un bon filtre peut diminuer les lobes secondaires de l’ordre de 30 dB.

Types de modulation

La modulation ou codage peut être faite avec :

Compression d’impulsions par modulation de fréquence linéaire

Cette méthode de compression de l'impulsion émise utilise une modulation de fréquence linéaire. Ceci a l'avantage d’utiliser un circuit électronique relativement simple. Cependant, elle présente l'inconvénient que le brouillage du signal est relativement facile à réaliser en utilisant un simple appareillage de balayage des fréquences. L'exemple suivant montre le diagramme d’un circuit de compression linéaire.

Filtre de fréquence pour extraire la composante désirée
Lignes à délai
Sommateurs
IEntrée
IEntrée
ISortie
ISortie
Durée d’une composante

Figure 4 : Ce diagramme peut être (animé pour montrer l’addition de la modulation à l’impulsion)

Filtre de fréquence pour extraire la composante désirée
Lignes à délai
Sommateurs
IEntrée
IEntrée
ISortie
ISortie
Durée d’une composante

Figure 4 : Ce diagramme peut être

Filtre de fréquence pour extraire la composante désirée
Lignes à délai
Sommateurs
IEntrée
IEntrée
ISortie
ISortie
Durée d’une composante

Figure 4 : Ce diagramme peut être (animé pour montrer l’addition de la modulation à l’impulsion)

L'impulsion initiale est divisée en un certain nombre d'intervalles de temps à fréquence constante. Le filtre de compression est une série de circuits qui introduisent un délai en fonction linéaire de la fréquence. Le circuit permet à la fin de l’impulsion de « rattraper » son début ce qui donne une impulsion plus courte d’amplitude plus grande. Le RRP–117 est un bon exemple d'une application de la modulation de fréquence linéaire.

Il y a vraiment deux techniques possibles pour la génération de ce type de compression :

Largeur d’impulsion
linear FM
Onde
symétrique

Figure 5 : Onde symétrique

Largeur d’impulsion
linear FM
Onde
symétrique

Figure 5 : Onde symétrique

Largeur d’impulsion

Figure 7 : Onde asymétrique

Largeur d’impulsion

Figure 7 : Onde asymétrique

Compression d’impulsion par modulation non-linéaire

Le principe d’une modulation non-linéaire est de faire varier sa fréquence selon une fonction connue. La modulation peut être symétrique ou asymétrique. Dans le premier cas, on utilise une variation de la fréquence du signal qui augmente durant la première moitié de l’impulsion et qui diminue durant la seconde. Dans le second cas, on utilise la moitié d’une onde symétrique.

Le principe d’une modulation non-linéaire est de faire varier sa fréquence selon une fonction connue. La modulation peut être symétrique ou asymétrique. Dans le premier cas, on utilise une variation de la fréquence du signal qui augmente durant la première moitié de l’impulsion et qui diminue durant la seconde. Dans le second cas, on utilise la moitié d’une onde symétrique.

Ce type de compression a plusieurs avantages :

Les désavantages sont :

Figure 6 : Onde symétrique (par un générateur d’ondes)

A screenshot of an oscilloscope shows a symetrically waveform, measured at the output-jack of the waveform generator.

Figure 6 : Onde symétrique (par un générateur d’ondes)

Compression de phase
diagram of a phase-coded pulse compression

Figure 8 : Schéma d'une modulation de phase

Le codage de phase de l’onde diffère de celui de fréquence. Dans ce codage, une longue impulsion est divisée en plusieurs impulsions courtes qui correspondent généralement à une sous-section de la cellule de résolution de l’impulsion originale. Toutes les sous-impulsions ont la même durée mais une phase initiale différente qui devient son identité.

Ce codage est le plus souvent un code binaire. Par exemple, il est possible d'affecter à certains blocs un déphasage de zéro (ce qui revient à conserver ces blocs tels quels) et de déphaser les autres de π (ce qui revient à changer leur signe) comme dans la figure 8. Il s’agit donc s’une séquence de +1 et -1. L’introduction de ce codage donne des discontinuités de phase entre les sous-impulsions.

Longueur
du code n
Éléments du codeMaximum d’intensité
du lobe secondaire (dB)
2+--6.0
3++--9.5
4++-+ ,  +++--12.0
5+++-+-14.0
7+++--+--16.9
11+++---+--+--20.8
13+++++--++-+-+-22.3

Tableau: Codes de Barker

Le choix des phases aléatoires 0, π est très importante. Un cas spécial de ces codes est celui de Barker. Il est considéré comme optimum car il minimise les lobes secondaires temporels qui sont en plus d’égale amplitude. Le tableau montre la séquence de codage dans un tel cas. Une étude statistique par ordinateur à montré qu’un codage de 6 000 sous-impulsions ne nécessite que 13 éléments. Dans ce cas, le rapport de compression est de 13 et le niveau des lobes secondaires temporels est de -22.3 dB par rapport au lobe principal.

Il est également possible de coder le signal sur un alphabet de plus de deux phases (codage polyphasé). Comme dans le cas de la modulation de fréquence linaire, il suffit de réaliser une corrélation entre le signal émis et le signal reçu pour avoir le signal compressé.