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Modulação Intrapulse e Compressão de Pulso

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Uout

Figure 1: Input and output signals of a pulse compression stage, the received signal in noise is hardly noticeable, so the pulse compression results in a clear echo signal.

Uin
Uout

Figura 1: Sinais de entrada e saída de um estágio de compressão de pulso, o sinal recebido no ruído é quase imperceptível, portanto a compressão do pulso resulta em um sinal de eco claro.

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Figura 1: Sinais de entrada e saída de um estágio de compressão de pulso, o sinal recebido no ruído é quase imperceptível, portanto a compressão do pulso resulta em um sinal de eco claro.

Modulação Intrapulse e Compressão de Pulso

A compressão de pulso é um termo genérico usado para descrever um processo de formação de ondas produzido como forma de onda de propagação, modificado pelas propriedades da rede elétrica da linha de transmissão. O pulso é modulado internamente em fase ou em frequência, o que fornece um método para resolver ainda mais os alvos que podem ter retornos sobrepostos (a chamada Modulação Intrapulse). A compressão de pulso se originou com o desejo de amplificar a potência de impulso transmitido (pico) por compressão temporal. É um método que combina a alta energia de uma largura de pulso longa com a alta resolução de uma largura de pulso curta. A estrutura do pulso é mostrada na figura 1.

Os conjuntos de radares de pulso do tipo mais antigo requerem uma alta potência de pulso para atingir o alcance desejado. Ao mesmo tempo, o pulso da transmissão deve ser o mais curto possível, porque esse parâmetro afeta a resolução da faixa. Esses radares devem ser capazes de gerar e irradiar a potência total de transmissão em apenas alguns microssegundos ou mesmo nanossegundos. Para esta tarefa foram desenvolvidos poderosos tubos de vácuo de modulador e transmissor.

Figura 2: pulso curto (azul) e pulso longo com modulação intrapulsiva (verde)

Figura 2: pulso curto (azul) e pulso longo com modulação intrapulsiva (verde)

Na tecnologia de semicondutores, os transmissores de alta potência (transmissor na tecnologia de estado sólido) não são capazes de produzir pulsos de alta potência devido à sua força dielétrica limitada e à temperatura de trabalho limitada. Para irradiar a mesma energia de transmissão, o pulso de transmissão deste radar deve, portanto, ser muito maior. A fim de melhorar a resolução de alcance do pulso do radar com uma duração de pulso de transmissão relativamente grande, o pulso é modulado internamente. Como cada parte do pulso possui uma frequência única, esses retornos podem ser completamente separados e integrados a um pulso de saída único mais curto. O sinal de eco é, portanto, comprimido em sua duração de pulso em filtros especiais. O procedimento para isso é chamado de compressão de pulso. Agora é possível realizar uma localização dentro do pulso transmitido e agora recebido. Na compressão de pulso, as vantagens energéticas de pulsos muito longos com os benefícios de pulsos muito curtos são combinadas. Através da modulação necessária, os canais auto-oscilantes não podem executar este procedimento.

O ruído no receptor é sempre banda larga com uma distribuição aleatória. A quantidade síncrona de frequência do ruído recebido é bastante baixa em comparação com o sinal de eco. A quantidade de ruído é bastante reduzida pelo filtro de compressão de pulso. Assim, pela compressão do pulso pode ser alcançado mesmo assim um sinal de saída quando o sinal de entrada é menor que o nível de ruído e seria perdido por uma simples desmodulação do diodo.

Essa modulação ou codificação pode ser:

Agora o receptor é capaz de separar alvos com sobreposição de ruído. O eco recebido é processado no receptor pelo filtro de compressão. O filtro de compressão reajusta as fases relativas dos componentes de frequência, para que um pulso estreito ou comprimido seja produzido novamente. O radar, portanto, obtém um alcance máximo melhor do que o esperado devido à equação convencional do radar.

A capacidade do receptor de melhorar a resolução da faixa em relação à do sistema convencional é chamada de taxa de compressão de pulso (PCR). Por exemplo, uma taxa de compressão de pulso de 50:1 significa que a resolução da faixa do sistema é reduzida em 1/50 do sistema convencional. A taxa de compressão do pulso pode ser expressa como a razão da resolução da faixa de um pulso não modulado de comprimento τ em relação ao pulso modulado de mesmo comprimento e largura de banda B.

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

Este termo é descrito como produto de largura de banda do pulso modulado e é igual ao ganho de compressão de pulso, PCG, como o ganho no SNR em relação a um pulso não modulado. Como alternativa, o fator de melhoria recebe o símbolo PCR, que pode ser usado como um número na equação de resolução da faixa, que agora atinge:

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

A taxa de compressão é igual ao número de sub-pulsos na forma de onda, isto é, o número de elementos no código. A resolução do intervalo é proporcional à duração do tempo de um elemento do código. O alcance máximo do radar é aumentado pela quarta raiz da PCR.

O intervalo mínimo não é aprimorado pelo processo. A largura total do pulso ainda se aplica à transmissão, o que exige que o duplexador permaneça alinhado ao transmissor durante todo o pulso. Portanto, o Rmin não é afetado.

VantagensDesvantagens
menor potência de pulso,
portanto, adequada para amplificador de estado sólido
alto esforço de cabeamento
maior alcance máximo intervalo mínimo ruim
boa resolução de alcance lóbulos do tempo
melhor imunidade a interferência 
reconhecimento mais difícil 

Tabela 1: Vantagens e desvantagens da compressão de pulso

Compressão de pulso com forma de onda FM linear

Neste método de compressão de pulso, o pulso transmissor tem uma forma de onda FM linear. Isso tem a vantagem de que o cabeamento ainda possa ser relativamente simples. No entanto, a modulação linear de frequência tem a desvantagem de que os sinais de interferência podem ser produzidos com relativa facilidade pelo chamado “Sweeper”.

O diagrama de blocos da figura ilustra, com mais detalhes, os princípios de um filtro de compressão de pulso.

filtros para componentes de frequência
linhas de atraso pela duração do tempo
dispositivos de resumo
Uin
Uin
Uout
Uout
duração de tempo de
um componente de frequência

Figura 3: Diagrama de blocos (uma animação como explicação do modo de operação)

filtros para componentes de frequência
linhas de atraso pela duração do tempo
dispositivos de resumo
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duração de tempo de
um componente de frequência

Figura 3: Diagrama de blocos

filtros para componentes de frequência
linhas de atraso pela duração do tempo
dispositivos de resumo
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duração de tempo de
um componente de frequência

Figura 3: Diagrama de blocos (uma animação como explicação do modo de operação)

O filtro de compressão é simplesmente linhas de atraso dispersivas com um atraso, que é uma função linear da frequência. O filtro de compressão permite que o final do pulso „alcance“ o início e produz um pulso de saída mais estreito com uma amplitude maior.

Como exemplo de uma aplicação da compressão de pulso com forma de onda FM linear, pode ser mencionado o radar de defesa aérea AN/FPS-117.

Os filtros para radares de compressão de pulso FM linear agora são baseados em dois tipos principais.

Uout
t
lobo lateral da antena
(angularmente)
alvo
tempo (intervalo) lobos laterais

Figura 4: Vista dos lobos do lado do tempo em um osciloscópio (figura superior) e no escopo B

Uout
t
lobo lateral da antena
(angularmente)
alvo
tempo (intervalo) lobos laterais

Figura 4: Vista dos lobos do lado do tempo em um osciloscópio (figura superior) e no escopo B

Lóbulos do lado do tempo

A saída do filtro de compressão consiste no pulso comprimido acompanhado de respostas em outros momentos (isto é, em outros intervalos), chamados intervalos de tempo ou intervalo. A figura mostra uma visão do pulso compactado de um radar chirp em um osciloscópio e em um setor de escopo ppi.

A ponderação em amplitude dos sinais de saída pode ser usada para reduzir os lóbulos laterais do tempo para um nível aceitável. A ponderação na recepção resulta apenas em uma „incompatibilidade“ do filtro e em alguma perda da relação sinal/ruído.

The sidelobe levels are an important parameter when specifying a pulse compression radar. The application of weighting functions can reduce time sidelobes to the order of 30 db's.

 

Compressão de pulso com forma de onda FM não linear

A forma de onda FM não linear tem várias vantagens distintas. A forma de onda FM não linear não requer ponderação de amplitude para supressão do sidelobe do tempo, uma vez que a modulação FM da forma de onda é projetada para fornecer o espectro de amplitude desejado, isto é, níveis baixos do sidelobe do pulso comprimido podem ser alcançados sem o uso da ponderação de amplitude.

A recepção do filtro correspondente e os lóbulos laterais baixos tornam-se compatíveis neste design. Assim, a perda na relação sinal / ruído associada à ponderação pelas técnicas de incompatibilidade usuais é eliminada.

Uma forma de onda simétrica tem uma frequência que aumenta (ou diminui) com o tempo durante a primeira metade do pulso e diminui (ou aumenta) durante a última metade do pulso. Uma forma de onda não simétrica é obtida usando a metade de uma forma de onda simétrica.

As desvantagens da forma de onda FM não linear são

Figura 6: Uma forma de onda não simétrica (saída do gerador de forma de onda)

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

Figura 6: Uma forma de onda não simétrica (saída do gerador de forma de onda)

largura de pulso
linear FM
não linear,
simetricamente

Figura 5: Forma de onda simétrica

largura de pulso
linear FM
não linear,
simetricamente

Figura 5: Forma de onda simétrica

largura de pulso

Figura 7: Forma de onda não simétrica

largura de pulso

Figura 7: Forma de onda não simétrica


 
 
 

Compressão de pulso codificada em fase
diagram of a phase-coded pulse compression

Figura 8: diagrama de uma compressão de pulso com código de fase

As formas de onda com código de fase diferem das formas de onda FM, pois o pulso longo é subdividido em um número de sub pulsos mais curtos. Geralmente, cada sub-pulso corresponde a uma faixa de alcance. Os sub-pulsos têm duração igual; cada um é transmitido com uma fase específica. A fase de cada sub-pulso é selecionada de acordo com um código de fase. O tipo de codificação de fase mais utilizado é o código binário.

O código binário consiste em uma sequência de +1 e -1. A fase do sinal transmitido alterna entre 0 e 180° de acordo com a sequência de elementos, no código de fase, como mostrado na figura. Como a frequência transmitida geralmente não é um múltiplo da recíproca da sub-largura de pulso, o sinal codificado é geralmente descontínuo nos pontos de inversão de fase.

Comprimento
do código n
Elementos de códigoPico lateral
relação, dB
2+--6.0
3++--9.5
4++-+ ,  +++--12.0
5+++-+-14.0
7+++--+--16.9
11+++---+--+--20.8
13+++++--++-+-+-22.3

Tabela: Códigos de Barker

A seleção das chamadas fases aleatórias 0, π é de fato crítica. Uma classe especial de códigos binários são os códigos ótimos, ou Barker. Eles são ótimos no sentido de fornecer lóbulos laterais baixos, todos de igual magnitude. Apenas um pequeno número desses códigos ótimos existe. Eles são mostrados na tabela ao lado. Um estudo baseado em computador procurou códigos de Barker até 6000 e obteve apenas 13 como o valor máximo.

Deve-se notar que não há nada maior que 13, o que implica uma taxa de compressão máxima de 13, que é bastante baixa. O nível do sidelobe é -22,3 db.