Вътрешноимпулсна модулация и импулсна компресия
Изображение 1: Сигнал на входа (вляво) и на изхода (вдясно) на компресионния филтър. Приетият сигнал изглежда почти неразличим от шума, но след филтъра за компресия се получава отчетливо ехо.
Изображение 1: Сигнал на входа (вляво) и на изхода (вдясно) на компресионния филтър. Приетият сигнал изглежда почти неразличим от шума, но след филтъра за компресия се получава отчетливо ехо.
Изображение 1: Сигнал на входа (вляво) и на изхода (вдясно) на компресионния филтър. Приетият сигнал изглежда почти неразличим от шума, но след филтъра за компресия се получава отчетливо ехо.
Какво е вътрешноимпулсна модулация?
Вътрешноимпулсна модулация и импулсна компресия
Компресията на импулсите е общ термин, използван за описание на процеса на формиране на сондиращия сигнал, който се случва, когато сигналът се променя в зависимост от електрическите характеристики на предавателната линия. Носещото трептене на сондиращия сигнал (неговата вътрешна структура) се модулира по фаза или честота, което при приемане на ехото дава възможност да се използват специални техники за разрешаване на припокриващи се в пространството отговори на целта. Този тип модулация се нарича вътрешноимпулсна модулация. Методът за компресиране на импулса е разработен с цел увеличаване на мощността на импулса чрез компресиране на импулса във времето. Този метод съчетава предимствата на дълготрайните сондиращи сигнали (висока енергия) с предимствата на краткотрайните сондиращи сигнали (висока пространствена разделителна способност). На Изображение 1 са показани примери за сигнали на входа и на изхода на елемент от пътя на обработка, който прилага метода за компресиране на импулси.
При по-старите видове импулсни радари е било необходимо да се разработи висока мощност на импулса, за да се постигне необходимият обхват. В същото време импулсът на сондиране трябваше да бъде възможно най-кратък, тъй като този параметър определя разделителната способност на радара. Радарите от този тип трябваше да генерират и излъчват висока мощност за няколко микросекунди или дори наносекунди. За тази цел са разработени мощни модулатори и мощни осцилатори под формата на електронно-вакуумни тръби.
Изображение 2: Къс импулс (син) и дълъг импулс с вътрешноимпулсна модулация (зелен)
Използването на полупроводникова технология не позволява създаването на такива мощни импулси. Електронните устройства (обикновено транзистори), които са в основата на тази технология, имат ограничена диелектрична якост и ограничена работна температура. Следователно, за да се постигнат същите стойности на излъчената енергия, звуковите сигнали на радарите с полупроводникови предаватели трябва да бъдат много по-дълги, т.е. да имат по-голяма продължителност. Въпреки това с увеличаване на продължителността на сондиращите сигнали разделителната способност на радара се влошава. За да се подобри това, в радарите, които използват дълги сондиращи импулси, се използва вътрешноимпулсна модулация. В зависимост от това кой от параметрите на носещия импулс е модулиран, сондиращият сигнал може да бъде представен като отделни части, всяка с различна честота или фаза. Реакцията на целта на този сигнал може да бъде разделена на отделни части и комбинирана във времето, за да се получи един кратък импулс. Операцията за компресиране на ехото се извършва в специални филтри. Процедурата, прилагана в такива филтри, се нарича компресиране на импулси. Сега е възможно да се отделят цели в рамките на област от пространството, чиито размери съответстват на дългия излъчен сигнал. По този начин компресията на импулсите позволява да се съчетаят енергийните предимства на дългите импулси и пространствената разделителна способност на късите импулси. Поради необходимостта от модулиране на параметрите на сигнала в рамките на импулса, автоколебателните генератори не могат да се използват за прилагане на описания метод.
Шумът в приемника винаги има широка честотна лента и случайно разпределение. Спектралната плътност на шума е доста малка в сравнение с ехосигнала. Следователно интензивността на шума се намалява значително след филтъра за компресия. По този начин с метода на импулсна компресия откриването на целта може да се осъществи дори в случаите, когато амплитудата на ехосигнала е по-малка от нивото на шума. Очевидно е, че при обикновено откриване на амплитуда (например на диод) такъв сигнал ще бъде загубен.
Видовете модулация (кодиране) на сондиращия сигнал (на английски език MOP), използвани при въпросния метод, са
- Честотна модулация
(FM), т.нар. честотно-импулсна модулация
(FMOP) или стъпаловидна честотна модулация:
- линейни;
- нелинейни;
- Честотно-времево кодиране на сигнала (например, код на Костас)
- Фазова модулация (PM), известна също като фазово-импулсна модулация (PMOP).
Методът за компресиране на импулси гарантира, че се извлича сигнал от целта, покрит с шум. Приетите сигнали се обработват в приемника с компресиращ филтър. Филтърът за компресия променя относителните фази на отделните честотни компоненти, така че да се генерира кратък импулс, наречен компресиран импулс. В резултат на това обхватът на радара става по-голям от очаквания, изчислен по традиционното уравнение за радара.
Способността на импулсно компресиран приемник да подобри разделителната способност на обхвата в сравнение с конвенционален приемник се характеризира с коефициента на импулсна компресия (англ. pulse compression ratio, PCR). Например коефициент на компресиране на импулса 50:1 означава, че радарът има 50 пъти по-малка разделителна способност от конвенционален радар, използващ същата широчина на импулса като некомпресиран радарен импулс с компресиране на импулса. Коефициентът на компресиране на импулса може да се изрази като съотношение между разделителната способност, съответстваща на немодулиран импулс с продължителност τ, и разделителната способност, съответстваща на модулиран импулс със същата продължителност, но със спектрална ширина B.
| PCR = | (c0 · τ /2) | = B · τ | (1) |
| (c0 / 2B) |
Така че този коефициент се описва от произведението сигнал-широчина на честотната лента (англ. time-bandwidth product) за модулирания импулс и е равен на усилването на компресирания сигнал по аналогия с отношението сигнал-шум за немодулирания импулс. Когато се използва коефициент на компресия на импулсите (PCR), изразът за разделителната способност на диапазона има следния вид:
| Rres = c0 · (τ / 2) = PCR · c0 /2 B | (2) |
Коефициентът на компресия на импулсите е цифрово равен на броя на отделните части на сондиращия сигнал, наричани още частични импулси, т.е. на броя на елементите в кода. Следователно разделителната способност на обхвата е пропорционална на продължителността на един частичен импулс или на един кодов елемент. Максималният обсег на радара се увеличава толкова пъти, колкото пъти е коренът от четвъртата степен на PCR.
Обърнете внимание, че минималният обхват не се подобрява чрез описания метод. Излъчва се импулс с пълна продължителност и за времето на излъчването му предавателят ще бъде свързан към антената чрез антенния превключвател, а приемникът ще бъде затворен. Следователно Rmin няма да се промени.
Предимства
- Ниска импулсна мощност
(позволява използването на полупроводникови усилватели) - По-дълъг обхват
- Добра разделителна способност на разстояние
- По-добра защита срещу смущения
- По-трудно се открива от врага
Недостатъци
- Сложна генерация на сондажен сигнал
- Незадоволително минимално разстояние на откриване на целите
- Странични лобове по време
Таблица 1. Предимства и недостатъци на метода за компресиране на импулси
Импулсна компресия за сигнал с линейна честотна модулация
Разгледайте случая, при който сондиращият сигнал е импулс с линейна модулация на носещата честота. Използването на сигнал от този тип има предимството, че схемата за обработка е сравнително проста. Съществува обаче недостатъкът, че в този случай смущаващият сигнал за радара може да се генерира съвсем просто с помощта на т.нар. sweepers.
На Изображение 3 е показана схема, която подробно обяснява как се изгражда компресионен филтър за линейно модулиран честотен сигнал.
честотен компонент
Изображение 3: Схема на компресионен филтър (принципът на действие е обяснен чрез анимация)
честотен компонент
Изображение 3: Схема на компресионен филтър
продължителността на сигнала
честотен компонент
Изображение 3: Схема на компресионен филтър (принципът на действие е обяснен чрез анимация)
Филтърът за компресия е проста линия за забавяне от дисперсионен тип, чиято стойност на изходното забавяне е пропорционална на честотата на сигнала. В примера от изображение 3 нискочестотните компоненти на спектъра на сигнала са забавени повече, а високочестотните компоненти са забавени по-малко. На изхода на компресионния филтър, конструиран по този начин, краят на импулса се догонва от началото на импулса, като по този начин се образува тесен импулс с по-голяма амплитуда.
Един пример за практическо прилагане на метода на импулсна компресия с линейно модулиран сигнал е радарът за противовъздушна отбрана AN/FPS-117 .
Понастоящем в радарите с линейно честотно модулиран сондиращ сигнал се използват два вида компресионни филтри:
- тези, които са реализирани цифрово (след аналогово-цифрово преобразуване);
- устройства с повърхностни акустични вълни.
на антената (ъгъл)
във време (разстояние)
Изображение 4: Изглед на страничните лобове на компресирания сигнал на осцилоскопа и на индикатора тип В
на антената (ъгъл)
във време (разстояние)
Изображение 4: Изглед на страничните лобове на компресирания сигнал на осцилоскопа и на индикатора тип В
Странични лобове във времето
Сигналът на изхода на компресионния филтър се състои от компресиран импулс, придружен от импулси в съседни времеви интервали (т.е. в диапазони, различни от диапазона на компресирания импулс). Такива изстрели се наричат странични лобове във време или разстояние. На изображение 4 е показан изглед на осцилоскоп и индикатор тип «В» на компресирания импулс за радар със стъпаловидна промяна на честотата.
Може да се приложи претегляне (амплитудно претегляне) на изходния сигнал на филтъра по амплитуда, за да се намали нивото на страничните вибрации до приемливо ниво. Прилагането на претегляне само по пътя на приемане леко влошава кохерентността на филтъра, което води до известни загуби на «сигнал към шум».
Нивата на страничните лобове са важни параметри в радарите с импулсна компресия. Прилагането на претегляне може да намали нивата на страничните вибрации с течение на времето до порядъка на -30 дБ.
Компресия на импулси за нелинейни честотно модулирани сигнали
Използването на нелинейни честотно модулирани сигнали има няколко ясни предимства. Обработката на такъв сигнал не изисква амплитудно претегляне, за да се потиснат страничните лобове, тъй като параметрите на честотната модулация са избрани така, че да осигурят необходимия амплитуден спектър. Следователно в този случай необходимото ниво на странично отклонение се постига без използване на претегляне.
Поради тази причина, когато се използва нелинеен честотно модулиран сигнал, последователността на филтъра се съчетава с ниски нива на страничните лъчи. Следователно загубата на сигнал към шум, причинена от претеглянето, което води до несъответстващ филтър, се елиминира.
Симетричният сигнал има първа половина, през която честотата му се увеличава (или намалява) във времето, и втора половина, през която честотата на сигнала, обратно, намалява (или се увеличава). Небалансираният сигнал се получава, като се използва само едната половина от симетричния сигнал (фигури 5, 7).
Недостатъците на сигналите с нелинейна честотна модулация са:
- повишена сложност на конструкцията на системата;
- необходимостта от отделна схема за формиране на всеки тип импулс, за да се постигне необходимото ниво на страничните лобове.
Изображение 6: Небалансиран сигнал (на изхода на генератора за сондиращия импулс)
нелинеен FM
Изображение 5. Симетричен сигнал с нелинейна честотна модулация
нелинеен FM
Изображение 5. Симетричен сигнал с нелинейна честотна модулация
Изображение 7: Несиметричен сигнал
Компресия на импулси с фазова модулация
Фазово модулираните сигнали се различават от честотно модулираните сигнали по това, че целият сигнал е разделен на няколко отделни кратки частични импулса. Обикновено всеки частичен импулс съответства на една клетка от обхвата. Частичните импулси са с еднаква продължителност, но всеки от тях се излъчва с различна фаза. Фазите на частичните импулси се определят с фазов код. Най-широко използваният метод за фазово кодиране е двоичното кодиране. В този случай се казва, че това е фазово манипулиран сигнал.
Двоичният код се състои от последователност от «+1» и «-1». Според този код фазите на частичните импулси са 0º и 180º, както е показано в примера на Изображение 8. Тъй като носещата честота не може винаги да бъде кратна на обратната продължителност на частичния импулс, кодираният сигнал е прекъснат в точките на обръщане на фазата.
| Дължина на кода n | Кодови елементи | Ниво на страничните лобове, dB |
| 2 | +- | -6.0 |
| 3 | ++- | -9.5 |
| 4 | ++-+ , +++- | -12.0 |
| 5 | +++-+ | -14.0 |
| 7 | +++--+- | -16.9 |
| 11 | +++---+--+- | -20.8 |
| 13 | +++++--++-+-+ | -22.3 |
Таблица 2: Кодове на Баркър
Изборът на закона за фазовата последователност на частичните импулси (фазов код) е от решаващо значение и този закон не може да бъде случаен. Такъв код трябва да осигурява минимално ниво на странични лобове след компресия на импулса. Оптимални в този смисъл са кодовете на Баркър, които дават ниски нива на страничните лобове, като същевременно имат винаги същото ниво на страничните лобове. Съществуват само много малък брой оптимални кодове на Баркър. Те са показани в таблицата по-долу. При търсенето на оптимални кодове моделирахме кодове на Баркър с дължина до 6000 елемента, но максималният размер на кода сред тях е 13. Така максималният коефициент на компресия при използване на кодове на Баркър е 13. В същото време нивото на страничните лобове е -22,3 дБ.