www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Zpracování radarového signálu

I/Q demodulátor

Reálné a imaginární veličiny komplexního signálu Reálné a imaginární veličiny komplexního signálu

Obrázek 1: Reálné a imaginární veličiny komplexního signálu

I/Q demodulátor

Pokud je frekvence IF s rychlým, ale jednoduchým A/D převodníkem již digitalizována, pak mám k dispozici digitální hodnotu amplitudy pro každou buňku intervalu. Ta představuje reálnou část komplexního echo signálu, ale kde zůstává informace o fázi? Ano, při jednoduché metodě se fázová informace ztrácí!

Komplexní veličina se vždy skládá z reálné části (zelená) a imaginární části (modrá). Analogově-digitální převodník však vždy bere v úvahu pouze reálnou část, která se nachází na ose X.

U starších radarů to není problém. Blip se skládá minimálně z 12 až 15 impulsů. Pokud má jeden nebo dva impulsy reálnou amplitudu nula (podle maxima fázového posunu), bude signál viditelný na obě strany. Novější radary však obvykle používají tzv. monopulzní technologii. Všechna data jsou výsledkem pouze jednoho vyslaného impulsu. Potřebujeme tedy také představit data!

I/Q demodulátor poskytuje zobrazení IF signálu včetně fáze a amplitudy bez ztráty informace. Signály v základním pásmu ve fázi (I) a v kvadraturní fázi (Q) se digitalizují pomocí dvojice A/D převodníků. Synchronní detektor se také označuje jako přijímač kvadraturního kanálu, kvadraturní detektor, Synchronní detektor nebo koherentní detektor.

Když celou konstrukci otočím o 90° …

 … pak je předchozí imaginární část přesně na ose X a lze ji snímat, ale předchozí reálná část nyní odpadla!

Množinu původního vektoru však lze z těchto dvou výsledků opět vypočítat pomocí Pythagorovy věty.

A jak nyní celou konstrukci otočíte o 90°?

(ve fázi)
(quadrature)
A
A
D
D
I-date
Q-date
fsignál
fosz

Obrázek 2: Blokové schéma synchronního detektoru

(ve fázi)
(kvadratura)
A
A
D
D
I-date
Q-date
fsignál
fosz

Obrázek 2: Blokové schéma synchronního detektoru

I+Q_phase_detector.pdf
(klikni pro zvětšení: PDF 115 kByte)

Obrázek 3: konkrétní příklad (dokumentace)

Aha, to je docela jednoduché: fáze signálu by se měla posunout o 90°. Obě analogové části signálu by měly být digitalizovány. Nyní mám sice jen dvakrát tolik datových linek, ale zpracování signálu řízené digitálním procesorem mi přináší hlavně mnohem více možností, jak na to.

Výsledná digitální data pak lze zpracovávat pomocí nejrůznějších algoritmů digitálního zpracování signálu. (Digitální filtry mají například mnohem strmější hrany než analogové konstrukce …
 … Velmi včasným převodem na digitální signál mi žádný šum nemůže zkreslit data následujícím signálním způsobem … a tak dále)

Složky I a Q spolu souvisejí takto

I = A cos(ϕ)
Q = A sin(ϕ)
(1)

Z toho lze vypočítat velikost signálu A a fázový posun ϕ jako

A2= I2+Q2  
ϕ = arctan(Q/I)
(2)

Figure 3: In-Phase-signal (cyan) and Quadrature-signal (magenta)

Proč vyhodnocovat I&Q?

Radarová čelní zařízení, která používají přímý převod dolů, téměř vždy nabízejí oba výstupy. Nyní by mohla být položena otázka: pokud nepotřebujete fázovou informaci, stačilo by vyhodnotit pouze jeden výstup.

Ano, to by mohlo přinést výsledek jako první, ale velmi neefektivním způsobem. Opět se podívejte na obrázek 1: červený ukazatel se otáčí poměrně rychle v závislosti na dopplerovské frekvenci. Ale měřit lze pouze velikost zeleného ukazatele. Pouze pokud červený ukazatel ukazuje stejným směrem jako zelený ukazatel, získáte efektivní výstupní signál. Při nižších dopplerovských frekvencích nebo dokonce u pevných cílů se fázová poloha mění pomalu nebo vůbec. Zde může červený ukazatel zůstat v poloze kolmé k zelenému ukazateli a radar nemůže vysílat výstupní signál. K tomu může dojít i při vyšších dopplerovských frekvencích, protože při použití vzorkovací frekvence s velmi specifickou frekvencí pro dopplerovskou frekvenci dochází k jakémusi stroboskopickému efektu.

Při digitálním zpracování jsou hodiny, s nimiž pracuje analogově-digitální převodník, vždy asynchronní s měřenou frekvencí. To může způsobovat rytmus, tj. někdy je na výstupu velmi silný signál a někdy žádný! Oba stavy se periodicky střídají.

Proto pouze v případě, že jsou vyhodnoceny oba kanály, lze z obou měřených signálů vypočítat velikost červeného ukazatele bez ohledu na to, kterým směrem ukazuje.