www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Darbe Sıkıştırma Yöntemi

Ugiriş
Uçıkış

Resim 1: Bir darbe sıkıştırma katının giriş ve çıkış sinyalleri

Ugiriş
Uçıkış

Resim 1: Bir darbe sıkıştırma katının giriş ve çıkış sinyalleri

Bir darbe sıkıştırma katının giriş- ve çıkış osilogramı. Giriş sinyalinde gürültü, zamansal çok uzun modüle edilmiş sinyale göre daha büyüktür. Çıkış sinyalinde modülasyonun her bir bölümü zamansal daha küçük miktarda geciktirilir ve eklenerek gürültüden daha büyük olan bir sinyal kuvveti meydana getirir.
Ugiriş
Uçıkış

Resim 1: Bir darbe sıkıştırma katının giriş ve çıkış sinyalleri

Darbe Sıkıştırma Yöntemi

Gönderilen darbelerin zamana bağlı modülasyonuyla daha fazla veri taşınmasına imkân sağlayan bu dalga biçimleme yöntemi bazen „intra-darbe modülasyon” olarak ta adlandırılmaktadır. Darbe sıkıştırma yöntemi; uzun süreli darbelerde, darbe süresi ile tepe gücü çarpımı ile tayin edilen enerji miktarının daha fazla gönderilebilmesi üstünlüğü ile çok kısa süreli darbelerin daha iyi olan menzil çözünürlük yeteneği üstünlüğünü bir arada kullanır. Nispeten daha uzun darbe süresine sahip bir darbe radarının darbeleri modüle edilerek gönderilir. Bu darbelerin dönen yankılarında, örneğin bir frekans karşılaştırması yapılabilir ve bu sayede darbe içi süresinde hedeflerin yerleri belirlenebilir.

Resim 2: Klasik kısa bir gönderim darbesi (mavi renkli) ve darbe-içi modülasyonlu uzun bir gönderim darbesi (yeşil renkli)

Osiloskopta, bir işarete ait bir klasik kısa gönderim darbesi (mavi renkli) ve intra-darbe modülasyonlu (yeşil renkli) bir uzun gönderim darbesi görülüyor.

Resim 2: Klasik kısa bir gönderim darbesi (mavi renkli) ve darbe-içi modülasyonlu uzun bir gönderim darbesi (yeşil renkli)

Darbe sıkıştırma yönteminde kullanılan modülasyonlar şunlardır:

Gürültü daima geniş bantlıdır ve gürültü darbeleri istatistiksel bir dağılım gösterir. Gürültünün frekans-eşzamanlı bileşeni (keza, modüle edilmiş alınan sinyalde olduğu gibi, aynı darbede içindeki gürültü) yansıma sinyaline kıyasla küçüktür. Bu nedenle giriş gürültü bölümü süzgeçte zayıflar. Eğer, giriş sinyali, başından itibaren girişte gürültüye boğulmuş ve basit bir demodülasyon imkânı kalmamışsa bile bir çıkış sinyali almak mümkün olabilir. Böylece modüle edilmemiş darbeye kıyasla daha fazla bir kazanç elde edilebilir.

Gönderilen darbelerin (keza tek tek ayrık alt darbelere bölünmemiş) bir doğrusal modülasyonu için B bant genişliği darbe süresi τ ya oranla çok daha belirleyicidir. Daha öte hesaplamalar için menzil çözünürlüğü oranından türetilen Zaman-Bant Genişliği-Çarpımı (Time-Bandwidth-Product) yürütülür:

PCR = (c0 · τ /2) = B · τ (1)

(c0 / 2B)

Darbe sıkıştırma yöntemi sayesinde; oldukça daha az bir tepe gücüne sahip, nispeten daha uzun süreli bir darbe ile daha iyi bir menzil çözünürlüğü ve radar denklemiyle hesaplanandan daha uzun bir menzil elde edilebilir.

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

Radar denklemi göz önüne alındığında, basit bir demodülasyonla normal video sinyali elde etmeye yeten bir PE min gücünden, kullanılan zaman aralığı adedi katsayısı kadar daha küçük olan bir PE min gücünün kullanıldığı anlaşılır. Menzildeki bu iyileştirme Darbe Sıkıştırma Kazancı (Pulse Compression Gain, PCG) olarak adlandırılır. Menzildeki bu iyileşme miktarı pratikte PCG kazancının yaklaşık 4. dereceden kökü kadardır.

Bununla beraber bu yöntemin asgari ölçme menzilinin oldukça kötüleşmesi gibi bir kaybı söz konusudur. Gönderici aktif olduğu sürece dubleks cihazı alıcıya anahtarlama yapmaz, alıcı kesildiğinden bu süre içinde herhangi bir sinyal alınamaz.

 

ÜstünlükleriKayıpları
düşük darbe gücü, katıhal çıkışa uygundaha fazla bağlantı masrafı
yüksek menzilkötü asgari ölçme menzili
çok iyi menzil çözünürlüğü zaman-yan lobları
gürültü bağışıklığı 
daha zor tespit edilme 

Liste 1: Darbe sıkıştırma yönteminin üstünlükleri ve kayıpları

Doğrusal frekans modülasyonlu darbe sıkıştırması

Bu darbe sıkıştırma yöntemi ile gönderim darbesi doğrusal modüle edilir. Bu yöntemin bağlantılarının daha basit olması gibi bir avantajı vardır. Fakat doğrusal frekans modülasyonun dezavantajı, süpürücü („Sweeper”) adı verilen devre ile çok kolay gürültü üretebilmesidir. Gönderim darbelerinde mevcut frekanslardan beş adedini esas alan, aşağıda ki bağlantı örneğinde çalışma prensibi açıklanmıştır.

Gönderim darbesinin bir alt frekansı için süsgeç
Zaman aralığı için geciktirme hattı
Summierungsstufen
Ugiriş
Ugiriş
Uçıkış
Uçıkış
Zaman aralığı

Resim 3: Bir darbe sıkıştırma prensip şeması

Gönderim darbesinin bir alt frekansı için süsgeç
Zaman aralığı için geciktirme hattı
Summierungsstufen
Ugiriş
Ugiriş
Uçıkış
Uçıkış
Zaman aralığı

Resim 3: Bir darbe sıkıştırma prensip şeması

Darbe sıkıştırma devresi prensip şeması
Gönderim darbesinin bir alt frekansı için süsgeç
Zaman aralığı için geciktirme hattı
Toplama katı
Ugiriş
Ugiriş
Uçıkış
Uçıkış
Zaman aralığı

Resim 3: Bir darbe sıkıştırma prensip şeması

Gönderim darbesi, burada, bir zaman aralığı sayısı kadar varsayılan sabit frekansla bölünür. Her bir zaman aralığında ki frekansa tam olarak ayarlanmış süzgeçlerden gelen sinyaller, her bir frekans için ardışık (kaskad) bağlı geciktirici ve toplayıcı kademelerden gelerek toplanırlar ve çıkışta bir toplam sinyal oluştururlar.

Doğrusal frekans modülasyonu RRP-117 radarında uygulanmaktadır.

Modern tümleşik devre teknolojisi sayesinde devre maliyetlerini azaltmak mümkün olabilmektedir. Bu yöntem pratikte iki türlü gerçekleştirilebilir:

Bir zaman yan lobunun osiloskopta ki ve radar ekranında ki görüntüsü
Resim 4: Bir zaman yan lobunun osiloskopta ki ve radar ekranında ki görüntüsü

Zaman-yan lobları

Sıkıştırma süzgeci çıkışında, hedef darbesinde zamansal olarak kaymış (yani menzilde), tekrarlanan yansımalar da (mirror images) bulunur. Bunlar zaman-veya menzil-yan lobları olarak bilinir. Yanda ki grafik bu yansımaları, hem zamanın fonksiyonu olarak osiloskopta ve hem de menzilin fonksiyonu olarak radar ekranında göstermektedir.

Hem zamansal aralıklar ve hem de genlik aralıkları sabit olduğundan, yan lobların sinyal genlikleri bir ağırlık dağılımıyla kabul edilebilir bir seviyeye düşürülebilir. Eğer bu genlik ağırlık dağılımı yalnızca alıcı hattında yapılırsa, bu sefer de süzgeçlerde uyumsuzluğa ve sinyal-gürültü-oranının azalmasına yol açar.

Bu yan lobların büyüklüğü darbe sıkıştırma yöntemiyle çalışan radarlarda çok önemli bir parametredir Yan lobların büyüklüğü bu ağırlık dağılımı ile -30 dB lik bir değere kadar düşürülebilir.

Doğrusal olmayan frekans modülasyonlu darbe sıkıştırması
Darbe süresi
doğrusal frekans
modülasyonlu
doğrusal
olmayan

Resim 5: Simetrik biçim

Bir simetrik modülasyonun frekans-zaman diyagramı
Darbe süresi
doğrusal
frekans
modülasyonlu
doğrusal
olmayan

Resim 5: Simetrik biçim

Darbe süresi

Resim 7: Simetrisiz biçim

Bir simetrisiz modülasyonun frekans-zaman diyagramı
Darbe süresi

Resim 7: Simetrisiz biçim

Doğrusal olmayan darbe sıkıştırma yönteminin bariz avantajları vardır. Örneğin, mevcut zaman yan lobların bastırılması için herhangi bir genlik ağırlık dağılımına, bu modülasyonda gerekli genlik dağılımını zaten kendisi yerine getirdiğinden ötürü ayrıca bir işlem yapmaya da gerek kalmaz.

Şimdi, büyüklüğü az, ama dik yan cephelere sahip zaman-yan loblarına rağmen, bundan böyle süzgeçle bir dengeleme yapmak mümkün olabilmektedir. Bu şekilde, genlik dağılımı ile ortaya çıkan sinyal-gürültü-oranında ki kayıplarda önlenmiş olur.

Modülasyonun simetrik biçiminde, gönderim darbe süresinin ilk yarısınca çıkan (veya inen) bir frekans değişimi ve ikinci yarısınca inen (veya çıkan) bir frekans değişimi olur. Modülasyonun simetrisiz biçimi, simetrik biçiminin sadece ilk yarısının kullanıldığı halidir.

Doğrusal olmayan frekans modülasyonunun dezavantajları:

Resim 6: Dalga Biçimleme Üreteci çıkışından alınan darbe-içi modülasyonlu simetrik gönderim darbesi (halen ara frekans değerinde)

Dalga Biçimleme Üreteci çıkışından alınan intra darbe modülasyonlu simetrik gönderim darbesi (halen ara frekans değerinde). İntra-modüle gönderim darbesi pratik olarak çok sayıda bireysel frekanslardan meydana gelir.

Resim 6: Dalga Biçimleme Üreteci çıkışından alınan darbe-içi modülasyonlu simetrik gönderim darbesi (halen ara frekans değerinde)

Faz modülasyonu ile darbe sıkıştırması

Faz kodlanmış bir gönderim darbesi diyagramı: İki fonksiyon bulunmaktadır.
Üst fonksiyonda zaman ekseninde mantıksal seviye bulunur.
Alt fonksiyon, üst fonksiyona uygun, faz kodlanmış yüksek frekanslı dalgaların mantık seviyesini gösterir. Böylece her bir mantık seviyesi değişiminde faz zıplaması meydana gelir.
Resim 8: Faz kodlu gönderim darbeleri diyagramı

Faz kodlanmış darbe biçimi, frekans modülasyonlu darbe biçiminden, uzun toplam darbenin aynı frekansta, fakat daha küçük alt-darbe (sub-impulse) biçimlerine bölünmesi ile ayrılır. Bu alt-darbeler, daima çözünebilen en küçük menzil olan bir menzil-hücresini (range-cell) temsil eder. Bu alt-darbeler aynı uzunluğa sahiptir ve alt darbelerin süresi içinde faz sabit kalır. Alt darbelerin arasında hızlı bir faz değişimi programlanabilir. Çoğu kez bu hızlı faz değişiklikleri sayısal olarak kodlanır.

Sayısal kod bir dizi mantık durumundan meydana gelir. Bu kodlara bağlı olarak gönderim sinyalinin faz durumu 0 ile 180° arasında ayarlanır. Gösterilen ve aşırı basitleştirilmiş resmin aksine, gönderim frekansı anahtar darbenin mutlaka bir tam katı değildir. Kodlanmış gönderim frekansı faz dönüş noktalarında genel olarak ahenksiz anahtarlanır.

Kod uzunluğu, nKod-elemanıdB olarak sinyal-
yan lob aralığı
2+--6.0
3++--9.5
4++-+ ,  +++--12.0
5+++-+-14.0
7+++--+--16.9
11+++---+--+--20.8
13+++++--++-+-+-22.3

Liste 2: Barker kod tablosu

Aslında, 0/π-fazları denilen bu fazlardan uygun kodların seçimi çok kritiktir. Barker-kodlamasında bazı darbe adetleri ile optimal sonuçlar alınabilir. Bu optimal değerlerde beklenen yan lob seviyesi ölçülür. Yandaki tabloda sadece az sayıda optimal kod listelenmiştir. Bilgisayar destekli yapılan bir araştırmada sonucunda 6000 adede varan Barker kodunun incelenmesi sonucunda sadece 13 adedinin yan loblarda maksimum değere ulaştığı tespit edilmiştir.

Sonuç olarak, bu 13 adet darbe sayısından daha fazlasının mümkün olmadığı görülmüştür. 13 kod darbe adedi keza ulaşılabilir en yüksek sıkıştırma oranı 13 ü temsil etmektedir! Bu gerçekten çok az bir değer olan -22.3 dB dir.

Kaynak: „Теоретические Основы Радиолокации” Под редакцией профессора Я. Д. Ширмана, © Издательство „Советское Радио”, Москва 1970