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Intrapulse Modulation und Pulskompression

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Bild 1: Eingangs- und Ausgangssignale einer Pulskompressionsstufe, ist das empfangene Signal im Rauschen kaum erkennbar, so ergibt die Pulskompression ein eindeutiges Echosignal.

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Bild 1: Eingangs- und Ausgangssignale einer Pulskompressionsstufe, ist das empfangene Signal im Rauschen kaum erkennbar, so ergibt die Pulskompression ein eindeutiges Echosignal.

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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Bild 1: Eingangs- und Ausgangssignale einer Pulskompressionsstufe, ist das empfangene Signal im Rauschen kaum erkennbar, so ergibt die Pulskompression ein eindeutiges Echosignal.

Was ist eine Intrapulse Modulation?

Intrapulse Modulation und Pulskompression

Pulskompression ist ein Verfahren zur Verbesserung des Entfernungsauflösungsvermögens eines Impulsradars. Dieses Verfahren wird sendeseitig auch Intrapulse Modulation genannt, weil hier der Sendeimpuls intern eine zeitabhängige Modulation erhält. In Publikationen wird oft auch der ungenaue Begriff Chirp–Radar aus der englischen Sprache übernommen (der ja eigentlich nur einen Teil der möglichen Modulationsverfahren beschreibt). Bei der Pulskompression werden die energetischen Vorteile sehr langer Impulse mit den Vorteilen sehr kurzer Impulse kombiniert. Das Entfernungsauflösungsvermögen eines einfachen impulsmodulierten Radars ist abhängig von der Impulsdauer. Zwei reflektierende Objekte, die sich innerhalb der räumlichen Ausdehnung des Impulses befinden, werden nur als ein Zielzeichen dargestellt. Um das Entfernungsauflösungsvermögen bei einer relativ großen Sendeimpulsdauer zu verbessern, wird der Sendeimpuls intern moduliert. Jetzt kann im empfangenen Echo z.B. ein Frequenzvergleich durchgeführt werden, der es ermöglicht, eine Lokalisation des reflektierenden Objektes innerhalb des Impulses vorzunehmen.

Es sind dabei mehrere Modulationsverfahren anwendbar. Es gibt Pulskompressionsverfahren:

Das Rauschen ist immer breitbandig und die Rauschimpulse haben eine statistische Verteilung. Der frequenzsynchrone Anteil des Rauschens (also Rauschen im dem gleichen Takt, wie das modulierte Empfangssignal) ist eher gering im Vergleich zum Echosignal. Deshalb wird der nicht-frequenzsynchrone Anteil des Eingangsrauschens durch die Filter verringert. So wird auch dann noch ein Ausgangssignal erzielt, wenn das Eingangssignal schon längst im Eingangsrauschen untergegangen ist und für eine einfache Demodulation somit verloren wäre. Gegenüber dem nichtmodulierten Impuls wird so ein Gewinn erzielt.

Bild 2: klassischer kurzer Sendeimpuls (in blau) und ein langer Sendeimpuls mit Intrapulsemodulation (in grün)

Ein Abbild einer Anzeige auf einem Oszilloscope zeigt einen klassischen kurzen Sendeimpuls (in blau) und einen langen Sendeimpuls mit Intrapulsemodulation (in grün)

Bild 2: klassischer kurzer Sendeimpuls (in blau) und ein langer Sendeimpuls mit Intrapulsemodulation (in grün)

Für eine lineare (also nicht in diskrete Einzelpulse unterteilte) Frequenzmodulation des Sendeimpulses ist die Bandbreite B des Sendeimpulses im Verhältnis zur Impulsdauer τ ausschlaggebend. Für die weiteren Berechnungen wird das Time-Bandwidth-Product eingeführt, dessen Herleitung sich aus dem Verhältnis der Entfernungsauflösungen ergibt:

PCR = (c0 · τ /2) = B · τ (1)

(c0 / 2B)

Die Entfernungsauflösung eines impulsmodulierten Radars ist also ein (um den Pulskompressionsfaktor PCR) Vielfaches der Entfernungsauflösung eines intrapulsmodulierten Radars:

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

Mit Hilfe der Pulskompression kann ein relativ langer Sendeimpuls mit vergleichsweise geringer Spitzenleistung eine bessere, grössere Reichweite erzielen, als es die Radargrundgleichung erwarten lässt. Denn mit der Pulskompression können Echosignale noch erkannt werden, die vor der Pulskompression bereits im Rauschen verschwunden sind. Die Wahrscheinlichkeit ist sehr gering, dass ein Rauschmuster auftritt, welches der Intrapulsmodulation dermaßen ähnelt, dass dieses Rauschen ebenfalls ein Ausgangssignal bei der Pulskomression bildet.

Formel (3)(3)

Für die Betrachtung mit der Radargleichung wird hier dann ein PE min verwendet, welches dann um den Faktor der verwendeten Anzahl der Zeitintervalle (PCR) kleiner ist, als das PE min bei normaler Videoerzeugung durch einfache Demodulation. Diese Verbesserung der Reichweite (praktisch jedoch nur um den Faktor der vierten Wurzel aus der PCR) wird als Pulse Compression Gain (PCG) bezeichnet.

Nachteil des Verfahrens ist allerdings, dass die minimale Messentfernung sehr verschlechtert wird. Solange der Sender arbeitet, kann eben nichts empfangen werden, da der Sende- Empfangsumschalter während dieser Zeit die Empfänger sperrt. Nur bei dem Einsatz von Ferrit-Zirkulatoren kann gleichzeitig gesendet und empfangen werden. Diese Ferrit-Zirkulatoren sind jedoch nur für relativ geringe Sendeleistungen verwendbar.

VorteileNachteile
geringere Impulsleistung
Somit geeignet für Solid-State-Endstufen
hoher Schaltungsaufwand
hohe Reichweite schlechte minimale Messentfernung
sehr gute Entfernungsauflösung Time-Sidelobes
gute Störfestigkeit  
schwerer aufklärbar  

Tabelle 1: Vor- und Nachteile der Pulskompression

Pulskompression mit linearer Frequenzmodulation

Bei dieser Pulskompressionsmethode wird der Sendeimpuls linear frequenzmoduliert. Das hat den Vorteil, dass die Schaltung noch relativ einfach gehalten werden kann. Die lineare Frequenzmodulation hat aber den Nachteil, dass durch sogenannte „Sweeper” relativ leicht Störungen erzeugt werden können. Im folgenden Schaltungsbeispiel wird das Prinzip anhand von fünf im Sendeimpuls vorhandenen Frequenzen dargestellt.

Filter für je eine Teilfrequenz des Sendeimpulses
Verzögerungsleitung für ein Zeitintervall
Summierungsstufen
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Zeitintervall

Bild 3: Prinzipschaltbild einer Pulskompression

Filter für je eine Teilfrequenz des Sendeimpulses
Verzögerungsleitung für ein Zeitintervall
Summierungsstufen
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Zeitintervall

Bild 3: Prinzipschaltbild einer Pulskompression

Filter für je eine Teilfrequenz des Sendeimpulses
Verzögerungsleitung für ein Zeitintervall
Summierungsstufen
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Zeitintervall

Bild 3: Prinzipschaltbild einer Pulskompression (Animation als Erklärung der Funktion)

Dabei wird der Sendeimpuls in eine Anzahl Zeitintervalle mit angenommen konstanter Frequenz eingeteilt. Spezielle Filter für genau die Frequenz in dem jeweiligen Zeitintervall ergeben je ein Ausgangssignal, das in einer Kaskade aus Verzögerungsleitungen und Summierstufen zu einem Ausgangsimpuls addiert wird.

Als Beispiel für eine Anwendung der linearen Frequenzmodulation kann das RRP-117 genannt werden.

Der hohe Schaltungsaufwand ist mit der heutigen Integrationsmöglichkeit durchaus beherrschbar. Es gibt praktisch zwei prinzipielle Möglichkeiten, dieses Verfahren technisch zu realisieren:

Uout
t
Nebenkeulen
der Antenne
Ziel
Zeit-Nebenzipfel

Bild 4: Ansicht der Time-Side-Lobes: oszillografisch und auf einem B-scope

Ansicht von Time-Side-Lobes: oszillografisch und auf einem B-Sichtgerät (helligkeitsmoduliert)
Uout
t
Nebenkeulen
der Antenne
Ziel
Zeit-Nebenzipfel

Bild 4: Ansicht der Time-Side-Lobes: oszillografisch und auf einem B-scope

Zeitliche Nebenkeulen (Time-Side-Lobes)

Am Ausgang des Kompressionsfilters erscheinen neben dem Zielimpuls auch Spiegelungen, die zu diesem zeitlich (d.h. in der Entfernung) versetzt sind. Diese werden time oder range sidelobes genannt. (Der deutsche Begriff „Nebenzipfel” wird nur noch sehr selten verwendet.) Die nebenstehende Grafik zeigt diese Spiegelungen, die einmal als Funktion der Zeit (auf dem Oszilloskope) und einmal als Funktion der Entfernung (auf einen Ausschnitt eines PPI-Sichtgerätes) gezeigt werden.

Da sowohl der zeitliche, als auch der Amplitudenabstand konstant sind, können mit einer Wichtung der Signalamplituden diese Nebenzipfel auf einen akzeptablen Wert reduziert werden. Wenn diese Amplitudenwichtung nur auf dem Empfangsweg vorgenommen wird, verursacht sie aber auch eine Verschlechterung des Filters und verringert den Signal-Rausch-Abstand.

Die Größe dieser Nebenzipfel sind ein wichtiger Parameter von Radargeräten mit Pulskompression und können durch diese Amplitudenwichtung auf einen Wert im Bereich von -30 db abgesenkt werden.

Pulskompression mit nicht-linearer Frequenzmodulation
Pulsdauer
linear (nicht-
symmetrisch)
nichtlinear
symmetrisch

Bild 5: symmetrische Form

Pulsdauer
linear (nicht-
symmetrisch)
nichtlinear
symmetrisch

Bild 5: symmetrische Form

Pulsdauer

Bild 7: unsymmetrische Form

Pulsdauer

Bild 7: unsymmetrische Form

Die Pulskompression mit nicht-linearer Frequenzmodulation weist einige deutliche Vorteile auf. So benötigt sie z.B. für die Unterdrückung der entstehenden Nebenkeulen, der sogenannten time-sidelobes keine Amplitudenwichtung mehr, da bereits durch die Form der Modulation die Funktion der sonst nötigen Amplitudenwichtung erfüllt wird.

Ein Filterabgleich mit steileren Flanken bei trotzdem niedrigen Nebenkeulen (time-sidelobes) ist nunmehr möglich. Auf diese Art werden die sonst durch die Amplitudenwichtung auftretenden Verluste im Signal-Rausch-Verhältnis vermieden.

Die symmetrische Form der Modulation hat während der ersten Hälfte der Sendeimpulsdauer eine aufsteigende (oder abfallende) Frequenzänderung und in der zweiten Hälfte eine fallende (oder nun aufsteigende) Frequenzänderung. Eine unsymmetrische Form der Modulation erhält man, wenn von der symmetrischen Form nur eine Hälfte verwendet wird.

Die Nachteile der Pulskompression mit nicht-linearer Frequenzmodulation sind:

Bild 6: ein unsymmetrischer Sendeimpuls mit Intrapulsemodulation am Ausgang des Waveform-Generators

ein intermodulierter Sendeimpuls besteht praktisch aus vielen aufeinanderfolgenden Einzelfrequenzen innerhalb einer Bandbreite. In der Mitte befindet sich ein Nulldurchlauf.

Bild 6: ein unsymmetrischer Sendeimpuls mit Intrapulsemodulation am Ausgang des Waveform-Generators

Pulskompression mit Phasenmodulation
Diagramm eines Phasencodierten Sendeimpulses: es sind zwei Funktionen zu sehen.
 Die obere Funktion sind die logischen Pegel auf einer Zeitachse.
 Die untere Funktion zeigt die zu den logischen Pegeln der oberen Funktion passenden phasencodierten hochfrequenten Wellen. Dabei geschieht bei jedem logischen Pegelwechsel ein Phasensprung.

Bild 8: Diagramm eines Phasencodierten Sendeimpulses

Die phasenkodierte Impulsform unterscheidet sich von der frequenzmodulierten Impulsform darin, dass der lange Gesamtimpuls in kleinere Sub- Impulse gleicher Frequenz unterteilt ist. Diese Sub- Impulse repräsentieren immer eine range-cell, also die kleinste auflösbare Entfernung. Diese Subimpulse haben alle die gleiche Länge und innerhalb dieser Impulsdauer ist die Phase konstant. Zwischen den Sub- Impulsen kann ein Phasensprung programmiert werden. Meist wird dieser Phasensprung mit einem binären Code verknüpft.

Der binäre Code besteht aus einer Folge von logischen Zuständen. In Abhängigkeit dieses binären Codes wird die Phasenlage des Sendesignals zwischen 0 und 180° umgeschaltet. Im Gegensatz zum gezeigten und stark vereinfachten Bild ist die Sendefrequenz aber nicht unbedingt ein Vielfaches der Frequenz der Schaltimpulse. Die codierte Sendefrequenz wird an den Phasenumkehrpunkten also generell disharmonisch umgeschaltet.

Länge des
Codes n
Code- ElementeSignal-Nebenkeulen-
abstand in db
2+--6.0
3++--9.5
4++-+ ,  +++--12.0
5+++-+-14.0
7+++--+--16.9
11+++---+--+--20.8
13+++++--++-+-+-22.3

Tabelle 2: Tabelle mit den Barker Codes

Tatsächlich ist die Auswahl eines geeigneten Codes von diesen sogenannten 0/π-Phasen sehr kritisch. Als Optimum hat sich eine Anzahl von Impulsmustern im Barker-Code erwiesen. Dieses Optimum wird am Pegel der zu erwartenden Nebenkeulen gemessen. Es existiert nur eine geringe Anzahl optimaler Codes, die in nebenstehender Tabelle aufgelistet sind. Eine rechnergestützte Studie hat bis zu 6000 verschiedene Barker-Codes untersucht und kam zu dem Ergebnis, dass nur die 13 einen maximalen Abstand des Signals zu den Nebenkeulen hat.

Somit ist festzustellen, dass keine größere Impulsanzahl als eben diese 13 möglich ist, die Impulsanzahl 13 somit also auch eine maximal erreichbare Kompressionsrate von 13 darstellt! Und das ist ein ziemlich enttäuschender Wert.

Verknüpfte Barker-Codes

Um die günstigen Bedingungen der Barker-Codes besser auszunutzen besteht die Möglichkeit, diese zu verknüpfen. Zum Beispiel kann ein 11-stelliger Barker-Code genutzt werden, und innerhalb jeder dieser elf Teilimpulse wird ein weiterer 11-stelliger Barker-Code genutzt. Das ergibt eine Aufteilung in insgesamt 121 Teilimpulse.

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