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Modulación intrapulso y compresión de pulsos

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Figura 1: Señales de entrada y salida de una etapa de compresión de pulsos, la señal recibida en ruido es casi imperceptible, por lo que la compresión de pulsos da lugar a una señal de eco clara.

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Figura 1: Señales de entrada y salida de una etapa de compresión de pulsos, la señal recibida en ruido es casi imperceptible, por lo que la compresión de pulsos da lugar a una señal de eco clara.

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Figura 1: Señales de entrada y salida de una etapa de compresión de pulsos, la señal recibida en ruido es casi imperceptible, por lo que la compresión de pulsos da lugar a una señal de eco clara.

Modulación intrapulso y compresión de pulsos

La compresión de impulsos es un término genérico utilizado para describir un proceso de forma de onda producido como una forma de onda de propagación, modificada por las propiedades de la red eléctrica de la línea de transmisión. El pulso se modula internamente en fase o frecuencia, lo que proporciona un método para resolver mejor los objetivos que pueden tener retornos superpuestos (lo que se denomina modulación intrapulso). La compresión de impulsos tiene su origen en el deseo de amplificar la potencia de impulso (pico) transmitida mediante compresión temporal. Es un método que combina la alta energía de una anchura de pulso larga con la alta resolución de una anchura de pulso corta. La estructura del pulso se muestra en la figura 1.

Los radares de pulso del tipo antiguo requieren una alta potencia de pulso para alcanzar el alcance deseado. Al mismo tiempo, el pulso de transmisión debe ser lo más corto posible, ya que este parámetro afecta a la resolución del alcance. Estos radares deben ser capaces de generar e irradiar toda la potencia de transmisión en tan sólo unos microsegundos o incluso nanosegundos. Para ello se han desarrollado potentes tubos de vacío moduladores y transmisores.

Figura 2: pulso corto (azul) y pulso largo con modulación intrapulso (verde)

Figura 2: pulso corto (azul) y pulso largo con modulación intrapulso (verde)

En la tecnología de semiconductores, los transmisores de alta potencia (transmisores en tecnología de estado sólido) no son capaces de producir impulsos de alta potencia debido a su limitada rigidez dieléctrica y a su limitada temperatura de trabajo. Para irradiar la misma potencia de transmisión, el impulso de transmisión de este radar debe ser, por tanto, mucho mayor. Para mejorar la resolución de alcance del pulso de radar con una duración de pulso de transmisión relativamente grande, el pulso se modula internamente. Como cada parte del pulso tiene una frecuencia única, estos retornos pueden separarse completamente e integrarse en un único pulso de salida más corto. Por ello, la señal de eco se comprime en su duración de pulso en filtros especiales. El procedimiento para ello se denomina compresión de impulsos. Ahora es posible realizar una localización dentro del pulso transmitido y ahora recibido. En la compresión de impulsos se combinan las ventajas energéticas de los impulsos muy largos con las ventajas de los impulsos muy cortos. Mediante la modulación necesaria, los canales autooscilantes no pueden realizar este procedimiento.

El ruido en el receptor es siempre de banda ancha con una distribución aleatoria. La cantidad sincrónica de frecuencia del ruido recibido es bastante baja en comparación con la señal de eco. La cantidad de ruido se reduce en gran medida mediante el filtro de compresión de impulsos. Así, mediante la compresión de impulsos se puede conseguir una señal de salida incluso entonces cuando la señal de entrada es menor que el nivel de ruido y se perdería por una simple demodulación del diodo.

Dicha modulación o codificación puede ser:

El receptor es ahora capaz de separar los blancos con superposición de ruido. El eco recibido es procesado en el receptor por el filtro de compresión. El filtro de compresión reajusta las fases relativas de los componentes de frecuencia, de modo que se vuelve a producir un pulso estrecho o comprimido. De este modo, el radar obtiene un alcance máximo mejor que el esperado debido a la ecuación de radar convencional.

La capacidad del receptor para mejorar la resolución del alcance con respecto a la del sistema convencional se denomina relación de compresión de impulsos (PCR). Por ejemplo, una relación de compresión de impulsos de 50:1 significa que la resolución de alcance del sistema se reduce en 1/50 de la del sistema convencional. La relación de compresión de impulsos se puede expresar como la relación entre la resolución de banda de un impulso no modulado de longitud τ y el impulso modulado de la misma longitud y ancho de banda B.

PCR = (c0 · τ /2) = B · τ (1)
(c0 / 2B)

Este término se describe como el producto de ancho de banda del pulso modulado y es igual a la ganancia de compresión del pulso, PCG, como la ganancia en SNR relativa a un pulso no modulado. Alternativamente, al factor de mejora se le da el símbolo PCR, que se puede utilizar como un número en la ecuación de resolución de ancho de banda, que ahora alcanza:

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

La relación de compresión es igual al número de subpulsos de la forma de onda, es decir, al número de elementos del código. La resolución del alcance es proporcional a la duración de un elemento del código. El alcance máximo del radar aumenta con la raíz cuarta de PCR.

El alcance mínimo no aumenta con el proceso. La anchura de pulso completa se sigue aplicando a la transmisión, lo que requiere que el duplexor permanezca alineado con el transmisor durante todo el pulso. Por lo tanto, Rmin no se ve afectado.

Ventajas
Desventajas

Tabla 1: Ventajas e inconvenientes de la compresión de impulsos

Compresión de impulsos con forma de onda FM lineal

En este método de compresión de impulsos, el impulso del transmisor tiene una forma de onda FM lineal. Esto tiene la ventaja de que el cableado puede seguir siendo relativamente sencillo. Sin embargo, la modulación de frecuencia lineal tiene la desventaja de que las señales de interferencia pueden ser producidas con relativa facilidad por el llamado “Sweeper”.

El diagrama de bloques de la figura ilustra con más detalle los principios de un filtro de compresión de impulsos.

filtros para componentes de frecuencia
líneas de retardo para duración de tiempo
dispositivos de resumen
Uin
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Uout
Uout
duración de un
componente de frecuencia

Figura 3: Diagrama de bloques (una animación como explicación del modo de funcionamiento)

filtros para componentes de frecuencia
líneas de retardo para duración de tiempo
dispositivos de resumen
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duración de un
componente de frecuencia

Figura 3: Diagrama de bloques

filtros para componentes de frecuencia
líneas de retardo para duración de tiempo
dispositivos de resumen
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duración de un
componente de frecuencia

Figura 3: Diagrama de bloques (una animación como explicación del modo de funcionamiento)

El filtro de compresión son simplemente líneas de retardo dispersivas con un retardo, que es una función lineal de la frecuencia. El filtro de compresión permite que el final del pulso „alcance“ al principio y produce un pulso de salida más estrecho con una amplitud mayor.

Como ejemplo de aplicación de la compresión de impulsos con una forma de onda FM lineal, cabe mencionar el radar de defensa aérea AN/FPS-117.

En la actualidad, los filtros para radares de compresión de impulsos de FM lineal se basan en dos tipos principales.

Uout
t
lóbulo lateral de la antena
(en ángulo)
objetivo
lóbulos laterales de tiempo (distancia)

Figura 4: Vista de los lóbulos laterales temporales en un osciloscopio (figura superior) y en el pantalla tipo B

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t
lóbulo lateral de la antena
(en ángulo)
objetivo
lóbulos laterales de tiempo (distancia)

Figura 4: Vista de los lóbulos laterales temporales en un osciloscopio (figura superior) y en el pantalla tipo B

Lóbulos laterales temporales

La salida del filtro de compresión consiste en el pulso comprimido acompañado de respuestas en otros tiempos (es decir, en otros intervalos), denominados intervalos de tiempo o distancia. La figura muestra una vista del pulso comprimido de un chirp de radar en un osciloscopio y en un sector del pantalla tipo B.

La ponderación de amplitud de las señales de salida puede utilizarse para reducir los lóbulos laterales temporales a un nivel aceptable. La ponderación del lado de recepción sólo produce un „desajuste“ del filtro y cierta pérdida de la relación señal/ruido.

Los niveles de los lóbulos laterales temporales son un parámetro importante a la hora de especificar un radar de compresión de impulsos. La aplicación de funciones de ponderación puede reducir los lóbulos laterales temporales del orden de -30 dB's.

 

Compresión de impulsos con forma de onda FM no lineal

La forma de onda FM no lineal tiene varias ventajas claras. La forma de onda FM no lineal no requiere ponderación de amplitud para la supresión de los lóbulos laterales temporales, ya que la modulación FM de la forma de onda está diseñada para proporcionar el espectro de amplitud deseado, es decir, se pueden conseguir niveles bajos de los lóbulos laterales del pulso comprimido sin utilizar ponderación de amplitud.

La recepción del filtro correspondiente y los lóbulos laterales bajos se hacen compatibles en este diseño. Así, se elimina la pérdida de relación señal-ruido asociada a la ponderación mediante las técnicas habituales de desajuste.

Una forma de onda simétrica tiene una frecuencia que aumenta (o disminuye) con el tiempo durante la primera mitad del pulso y disminuye (o aumenta) durante la última mitad del pulso. Una forma de onda no simétrica se obtiene utilizando la mitad de una forma de onda simétrica.

Las desventajas de la forma de onda FM no lineal son

Figura 6: Forma de onda no simétrica (conector de salida del generador de forma de onda)

Una captura de pantalla de un osciloscopio muestra una forma de onda simétrica, medida en el conector de salida del generador de forma de onda.

Figura 6: Forma de onda no simétrica (conector de salida del generador de forma de onda)

anchura de pulso
lineal FM
no lineal,
simétrica

Figura 5: Forma de onda simétrica

anchura de pulso
lineal FM
no lineal,
simétrica

Figura 5: Forma de onda simétrica

anchura de pulso

Figura 7: Forma de onda no simétrica

anchura de pulso

Figura 7: Forma de onda no simétrica

Compresión de impulsos con codificación de fase
diagrama de una compresión de impulsos codificada por fase

Figura 8: diagrama de una compresión de impulsos con codificación de fase

Las formas de onda codificadas por fase difieren de las formas de onda FM en que el pulso largo se subdivide en varios subpulsos más cortos. Generalmente, cada subpulso corresponde a un rango. Los subimpulsos tienen la misma duración y cada uno se transmite con una fase específica. La fase de cada subpulso se selecciona según un código de fase. El tipo de codificación de fase más utilizado es el código binario.

El código binario consiste en una secuencia de +1 y -1. La fase de la señal transmitida alterna entre 0 y 180° según la secuencia de elementos, en el código de fase, como se muestra en la figura. Como la frecuencia transmitida no suele ser múltiplo del recíproco de la subanchura del impulso, la señal codificada suele ser discontinua en los puntos de inversión de fase.

Longitud
del código n
Elementos de códigoRelación de
pico lateral (dB),
2+--6.0
3++--9.5
4++-+ ,  +++--12.0
5+++-+-14.0
7+++--+--16.9
11+++---+--+--20.8
13+++++--++-+-+-22.3

Tabla: Códigos Barker

La selección de las llamadas fases aleatorias 0, π es realmente crítica. Una clase especial de códigos binarios son los códigos óptimos o de Barker. Son óptimos en el sentido de que proporcionan lóbulos laterales bajos, todos de igual magnitud. Sólo existe un pequeño número de estos códigos óptimos. Se muestran en la tabla de al lado. En un estudio informático se buscaron códigos de Barker de hasta 6000 y sólo se obtuvo 13 como valor máximo.

Hay que señalar que no hay nada superior a 13, lo que implica una relación de compresión máxima de 13, que es bastante baja. El nivel de los lóbulos laterales es de -22,3 dB.

Vídeo recomendado: Paul Denisowski, “Understanding Barker Code”, vídeo educativo de la empresa Rohde & Schwarz, Múnich

Códigos Barker enlazados

Para aprovechar mejor las condiciones favorables de los códigos Barker, es posible enlazarlos. Por ejemplo, se puede utilizar un código Barker de 11 dígitos, y dentro de cada uno de estos 11 impulsos parciales se utiliza un código Barker de otros 11 dígitos. El resultado es una división en un total de 121 impulsos parciales. Desgraciadamente, los lóbulos laterales tienen un tamaño desigual.