www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Darbe-içi Modülasyon ve Darbe Sıkıştırma Yöntemi

Ugiriş
Uçıkış

Resim 1: Bir darbe sıkıştırma katının giriş- ve çıkış işaretleri, alınan işaret gürültü içinde tanınamıyorsa, o zaman darbe sıkıştırma bir temiz yankı işareti sağlayabilir.

Ugiriş
Uçıkış

Resim 1: Bir darbe sıkıştırma katının giriş- ve çıkış işaretleri, alınan işaret gürültü içinde tanınamıyorsa, o zaman darbe sıkıştırma bir temiz yankı işareti sağlayabilir.

Bir darbe sıkıştırma katının giriş- ve çıkış osilogramı. Giriş işaretlinde gürültü, zamansal çok uzun modüle edilmiş işarete göre daha büyüktür. Çıkış işaretlinde modülasyonun her bir bölümü zamansal daha küçük miktarda geciktirilir ve eklenerek gürültüden daha büyük olan bir işaret kuvveti meydana getirir.
Ugiriş
Uçıkış

Resim 1: Bir darbe sıkıştırma katının giriş- ve çıkış işaretleri, alınan işaret gürültü içinde tanınamıyorsa, o zaman darbe sıkıştırma bir temiz yankı işareti sağlayabilir.

Darbe-içi Modülasyon nedir?

Darbe-içi Modülasyon ve Darbe Sıkıştırma Yöntemi

Darbe Sıkıştırma bir Darbe Radarının Menzil Çözünürlük Yeteneğini iyileştirmek için kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntem, burada gönderim darbesine zamana-bağlı bir dâhili modülasyon uygulanmış olması nedeniyle, gönderici tarafta Darbe-içi Modülasyon olarakta adlandırılır. Teknik yayınlarda, tam karşılamayan, olası modülasyon yöntemlerinin yalnızca bir kısmını tanımlayan, İngilizce Chirp Radar kavramı kullanılmaktadır. Darbe sıkıştırma yöntemi; uzun süreli darbelerin enerjik üstünlüğü ile kısa süreli darbelerin üstünlüklerini birleştirir. Bir basit darbe modüleli radarın menzil çözünürlüğü darbe süresine bağlıdır. Darbenin uzaysal (spatial) kapladığı bölgede bulunan iki yansıtıcı nesne sadece bir hedef olarak görüntülenir. Görece daha uzun bir gönderim darbesi ile menzil çözünürlük yeteneğini iyileştirmek için gönderim darbesi dâhili modüle edilir. Şimdi, alınan yankıda, örneğin darbe içinde yansıtıcı nesnenin konumunun belirlenebilmesini mümkün kılan bir frekans karşılaştırması yapılabilir.

Gürültü daima geniş bantlıdır ve gürültü darbeleri istatistiksel bir dağılım gösterirler. Gürültünün frekans eşzamanlı bileşeni (yani, modüle edilmiş alım işareti ile aynı saat darbesindeki gürültü) yankı işaretine göre oldukça küçüktür. Bu nedenle giriş gürültüsünün frekans eşzamanlı olmayan bileşeni süzgeçte küçültülür. Eğer, bir giriş işareti başından itibaren giriş gürültüsüne boğulmuş ve artık bir basit demodülasyon imkânı kalmamış olsa bile halâ bir çıkış işareti elde etmek mümkün olabilir. Böylece modüle edilmemiş darbeye göre daha fazla bir kazanç elde edilebilir.

Resim 2: Klasik kısa gönderim darbesi (mavi) ve darbe-içi modülasyonlu bir uzun gönderim darbesi (yeşil)

Osiloskopta, bir işarete ait bir klasik kısa gönderim darbesi (mavi renkli) ve intra-darbe modülasyonlu (yeşil renkli) bir uzun gönderim darbesi görülüyor.

Resim 2: Klasik kısa gönderim darbesi (mavi) ve darbe-içi modülasyonlu bir uzun gönderim darbesi (yeşil)

Gönderim darbesinin bir doğrusal frekans modülasyonunda, gönderim darbesinin B bant genişliği, gönderim darbesinin τ süresine göre çok daha belirleyicidir. Daha sonraki hesaplamalara, menzil çözünürlüğü oranından elde edilen Zaman-Bant Genişliği Çarpımı da katılır.

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

Bir darbe modülasyonlu radarın menzil çözünürlüğü, darbe-içi modüle edilmiş bir radarın Darbe Sıkıştırma Oranı (Pulse Compression Rate, PCR) kadar katıdır:

Rres = c0 · (τ / 2) = PCR · c0 /2 B (2)
Darbe Sıkıştırma Kazancı

Darbe Sıkıştırma yöntemiyle, görece daha uzun bir gönderim darbesi, karşılaştırılabilir seviyede daha küçük bir tepe gücü ile birlikte Radar Denklemiyle beklenenden daha uzun bir menzile ulaşabilir. Darbe sıkıştırma öncesinde gürültüye boğulmuş yankı işaretlerinin darbe sıkıştırma ile halâ algılanması mümkündür. Darbe sıkıştırma sırasında, darbe-içi modülasyona benzeyen bir çıkış işareti oluşturan bir gürültü deseninin meydana gelme olasılığı çok düşüktür.

Formel (3)(3)

Radar denklemi göz önünde tutulduğunda, burada, bir basit demodülasyonla normal video işareti elde etmeye yeten PE min gücünden, kullanılan Zaman Aralığı Sayısı (PCR) kadar daha küçük bir PE min gücünün kullanıldığı anlaşılır. Menzildeki bu iyileştirme Darbe Sıkıştırma Kazancı (Pulse Compression Gain, PCG) olarak adlandırılır. Pratikte menzildeki bu iyileşme miktarı bu kazancın yaklaşık 4. dereceden kökü civarındadır.

Ancak bu yöntemin En Küçük Ölçüm Menzilinin oldukça kötüleşmesi gibi bir sakıncası söz konusudur. Gönderici aktif olduğu sırada dubleks aygıt alıcıya bağlantıyı keser, dolayısıyla alıcı bu süre içinde herhangi bir işaret alamaz. Bununla beraber bu ferrit sirkülatörler görece daha düşük gönderim güçlerinde kullanılabilirler.

ÜstünlükleriSakıncaları
Düşük darbe gücü, katıhal çıkış katlarına uygun Daha karmaşık bağlantı
Uzun menzil kötü en küçük ölçüm menzili
Çok iyi menzil çözünürlüğü Zaman-yan topuzları
İyi gürültü bağışıklığı  
Daha zor algılanma  

Çizelge 1: Darbe sıkıştırma yönteminin üstünlükleri ve sakıncaları

Doğrusal Frekans Modülasyonlu Darbe Sıkıştırma

Gönderim darbesi bu darbe sıkıştırma yöntemi ile doğrusal modüle edilir. Bu yöntemin, bağlantıların görece daha basit tutulması gibi bir üstünlüğü vardır. Bununla birlikte, doğrusal frekans modülasyonda süpürücü (sweeper) denilen devre ile gürültünün görece kolay ortaya çıkması gibi bir sakıncası vardır. Aşağıdaki devre örneğinde, gönderim darbesindeki mevcut frekanslardan beş adedini esas alan çalışma prensibi açıklanmıştır.

Gönderim darbesinin bir alt frekansı için süzgeç
Zaman aralığı için geciktirme hattı
Summierungsstufen
Ugiriş
Ugiriş
Uçıkış
Uçıkış
Zaman aralığı

Resim 3: Bir darbe sıkıştırma prensip şeması

Gönderim darbesinin bir alt frekansı için süzgeç
Zaman aralığı için geciktirme hattı
Summierungsstufen
Ugiriş
Ugiriş
Uçıkış
Uçıkış
Zaman aralığı

Resim 3: Bir darbe sıkıştırma prensip şeması

Darbe sıkıştırma devresi prensip şeması
Gönderim darbesinin bir alt frekansı için süzgeç
Zaman aralığı için geciktirme hattı
Toplama katı
Ugiriş
Ugiriş
Uçıkış
Uçıkış
Zaman aralığı

Resim 3: Bir darbe sıkıştırma prensip şeması

Gönderim darbesi, burada bir varsayılan sabit frekansla, bir zaman aralığı sayısı kadar bölünür. Her bir zaman aralığındaki frekansa tam olarak ayarlanmış süzgeçlerden gelen işaretler, her bir frekans için ardışık (cascade) bağlı geciktirme hatlarından ve toplama katlarından geçerken eklenirler ve çıkışta bir toplam işaret oluşturlar.

Bir doğrusal frekans modülasyonu uygulama örneği olarak RRP-117 radarını gösterebiliriz.

Günümüzün tümleşik devre teknolojisi sayesinde devre karmaşıklığını oldukça iyi yönetmek mümkün olabilmektedir. Prensip olarak bu yöntem pratikte iki türlü gerçekleştirilebilir:

Uçıkış
t
Anten
yan topuzları
Hedef
Zaman-yan topuzları

Resim 4: Bir zaman yan topuzunun osiloskoptaki ve B- ekrandaki görüntüleri

Bir zaman yan topuzunun osiloskoptaki ve B- ekrandaki görüntüleri
Uçıkış
t
Anten
yan topuzları
Hedef
Zaman-yan topuzları

Resim 4: Bir zaman yan topuzunun osiloskoptaki ve B- ekrandaki görüntüleri

Zamansal Yan Topuzlar

Sıkıştırma süzgeci çıkışında, hedef darbesi yanında, darbeye göre zamansal kaymış (yani, menzilde), tekrarlanan yansımalar da (mirror images) yer alır. Bunlara zaman- ya da menzil yan topuzları denilir. Yandaki grafikte bu yansımalar, zamanın işlevi olarak osiloskopta ve ayrıca menzilin işlevi olarakta radar ekranında (PPI-ekranın bir bölümünde) görülmektedir.

Hem zamansal aralıklar ve hem de genlik aralıkları sabit olduğundan, yan topuzların işaret genlikleri bir ağırlık dağılımıyla kabul edilebilir bir seviyeye düşürülebilir. Eğer bu genlik ağırlık dağılımı yalnızca alıcı hattında yapılırsa, bu sefer de süzgeçlerde kötüleşme başlar ve işaret-gürültü-oranı azalır.

Yan topuzların bu büyüklüğü darbe sıkıştırma yöntemiyle çalışan radarlarda çok önemli bir parametredir ve bu, genlik ağırlık dağılımı ile -30 dB lik bir değere kadar düşürülebilir.

Doğrusal-olmayan Frekans Modülasyonlu Darbe Sıkıştırma
Darbe süresi
Doğrusal
(simetrik
olmayan)
Doğrusal-olmayan
(simetrik)

Resim 5: Simetrik biçim

Darbe süresi
Doğrusal
(simetrik
olmayan)
Doğrusal-olmayan
(simetrik)

Resim 5: Simetrik biçim

Darbe süresi

Bild 7: unsymmetrische Form

Darbe süresi

Resim 7: Simetrisiz biçim

Doğrusal-olmayan frekans modülasyonlu darbe sıkıştırma yönteminin bazı belirgin üstünlükleri vardır. Örneğin, ortaya çıkan zaman-yan topuzları (time-sidelobes) denilen yan topuzların bastırılması için herhangi bir genlik ağırlık dağılımına, modülasyonun, bu biçimiyle gerekli genlik dağılımını zaten kendisi yerine getirdiğinden dolayı gerek de kalmaz.

Şimdi, daha dik darbe yan cepheleriyle düşük zaman-yan topuzlarına rağmen bir süzgeç ayarı yapılabilir. Böylece genlik dağılımı ile ortaya çıkan işaret-gürültü-oranındaki kayıplarda önlenmiş olur.

Modülasyonun simetrik biçimi, gönderim darbe süresinin ilk yarısı boyunca artan (ya da azalan) bir frekans değişimine ve ikinci yarısında ise azalan (ya da şimdi artan) bir frekans değişimine sahiptir. Simetrik biçimin sadece yarısı kullanıldığında modülasyonun simetrisiz biçimi elde edilir.

Doğrusal-olmayan frekans modülasyonunun sakıncaları:

Resim 6: Dalga Biçimleme Üreteci çıkışındaki darbe-içi modülasyonlu bir simetrisiz gönderim darbesi

Dalga Biçimleme Üreteci çıkışındaki darbe-içi modülasyonlu bir simetrisiz gönderim darbesi

Resim 6: Dalga Biçimleme Üreteci çıkışındaki darbe-içi modülasyonlu bir simetrisiz gönderim darbesi

Faz Modülasyonu ile Darbe Sıkıştırma
Bir faz kodlu gönderim darbesinin grafiği

Resim 8: Bir faz kodlu gönderim darbesinin grafiği

Faz kodlanmış darbe biçimi, frekans modülasyonlu darbe biçiminden, uzun toplam darbenin aynı frekansta, fakat daha küçük alt-darbelere (sub-impulse) bölünmesi ile ayrılır. Bu alt-darbeler, daima çözünebilen en küçük menzil olan bir menzil-hücresini (range-cell) temsil eder. Bu alt-darbelerin uzunlukları aynıdır ve alt darbelerin süresi içinde faz sabit kalır. Alt darbelerin arasında bir faz sıçraması programlanabilir. Bu hızlı faz sıçraması genellikle sayısal kodlanır.

Sayısal kod bir dizi mantık durumundan meydana gelir. Bu kodlara bağlı olarak gönderim işaretinin faz açısı 0 ile 180° arasında anahtarlanır. Resimdeki aşırı basitleştirilmişin aksine, gönderim frekansı anahtar darbesinin frekansının mutlaka bir katı değildir. Kodlanmış gönderim frekansı faz dönüş noktalarında genellikle bir ahenk olmaksızın anahtarlanır.

n kodun
uzunluğu
Kod-elemanıdB cinsinden işaret-
yan topuz aralığı
2+--6,0
3++--9,5
4++-+ ,  +++--12,0
5+++-+-14,0
7+++--+--16,9
11+++---+--+--20,8
13+++++--++-+-+-22,3

Çizelge 2: Barker kod çizelgesi

Aslında, 0/π-fazları denilen bu fazlardan bir uygun kodun seçimi çok kritiktir. Barker-kodlamasındaki bir dizi darbe desenleri ile en uygun sonuçlar alınabilir. Bu en uygun değer beklenen yan topuz seviyesinde ölçülür. Yandaki çizelgede sadece az sayıda en uygun kod listelenmiştir. Bilgisayar destekli yapılan bir araştırmada 6 000 adede varan Barker kodu incelenmiş ve bunlardan yalnızca 13 adedinin yan topuzlarda en büyük değere ulaştığı belirlenmiştir.

Sonuç olarak, 13 adetten daha fazla bir darbe sayısının mümkün olmadığı söylenebilir. Bu 13 darbe adedi aynı zamanda ulaşılabilir en yüksek sıkıştırma oranı 13 ü temsil etmektedir! Ve bu, -22,3 dB gibi oldukça kötü bir değerdir.

Bağlı Barker-kodları

Barker-kodlarının elverişli koşullarını daha iyi kullanmak için, bunları bağlamak mümkündür. Örneğin, 11-basamaklı bir Barker kodu kullanılabilir ve bu 11 alt darbenin her birinde de yine 11-basamaklı bir Barker kodu kullanılır. Bu, toplamda 121 alt darbe demektir.

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