Darbe Sıkıştırma Yöntemi
Resim 1: Bir darbe sıkıştırma katının giriş ve çıkış işaretleri
Resim 1: Bir darbe sıkıştırma katının giriş ve çıkış işaretleri
Darbe Sıkıştırma Yöntemi
Gönderilen darbelerin zamana bağlı modülasyonuyla daha fazla veri taşınmasına imkân sağlayan bu dalga biçimleme yöntemi bazen „intra-darbe modülasyon” olarak ta adlandırılmaktadır. Darbe sıkıştırma yöntemi; uzun süreli darbelerde, darbe süresi ile tepe gücü çarpımı ile tayin edilen enerji miktarının daha fazla gönderilebilmesi üstünlüğü ile çok kısa süreli darbelerin daha iyi olan menzil çözünürlük yeteneği üstünlüğünü bir arada kullanır. Nispeten daha uzun darbe süresine sahip bir darbe radarının darbeleri modüle edilerek gönderilir. Bu darbelerin dönen yankılarında, örneğin bir frekans karşılaştırması yapılabilir ve bu sayede darbe içi süresinde hedeflerin yerleri belirlenebilir.
Resim 2: Klasik kısa bir gönderim darbesi (mavi renkli) ve darbe-içi modülasyonlu uzun bir gönderim darbesi (yeşil renkli)
Resim 2: Klasik kısa bir gönderim darbesi (mavi renkli) ve darbe-içi modülasyonlu uzun bir gönderim darbesi (yeşil renkli)
Darbe sıkıştırma yönteminde kullanılan modülasyonlar şunlardır:
- FM doğrusal frekans modülasyonu (chirp radar),
- FM doğrusal olmayan frekans modülasyonu ve
- PM kodlanmış darbe-faz modülasyonu.
Gürültü daima geniş bantlıdır ve gürültü darbeleri istatistiksel bir dağılım gösterir. Gürültünün frekans-eşzamanlı bileşeni (keza, modüle edilmiş alınan işaretde olduğu gibi, aynı darbede içindeki gürültü) yansıma işaretline kıyasla küçüktür. Bu nedenle giriş gürültü bölümü süzgeçte zayıflar. Eğer, giriş işaretli, başından itibaren girişte gürültüye boğulmuş ve basit bir demodülasyon imkânı kalmamışsa bile bir çıkış işaretli almak mümkün olabilir. Böylece modüle edilmemiş darbeye kıyasla daha fazla bir kazanç elde edilebilir.
Gönderilen darbelerin (keza tek tek ayrık alt darbelere bölünmemiş) bir doğrusal modülasyonu için B bant genişliği darbe süresi τ ya oranla çok daha belirleyicidir. Daha öte hesaplamalar için menzil çözünürlüğü oranından türetilen Zaman-Bant Genişliği-Çarpımı (Time-Bandwidth-Product) yürütülür:
|PCR =||(c0 · τ /2)||= B · τ||(1)|
|(c0 / 2B)|
Darbe sıkıştırma yöntemi sayesinde; oldukça daha az bir tepe gücüne sahip, nispeten daha uzun süreli bir darbe ile daha iyi bir menzil çözünürlüğü ve radar denklemiyle hesaplanandan daha uzun bir menzil elde edilebilir.
|Rres = c0 · (τ / 2) = PCR · c0 /2 B||(2)|
Radar denklemi göz önüne alındığında, basit bir demodülasyonla normal video işaretli elde etmeye yeten bir PE min gücünden, kullanılan zaman aralığı adedi katsayısı kadar daha küçük olan bir PE min gücünün kullanıldığı anlaşılır. Menzildeki bu iyileştirme Darbe Sıkıştırma Kazancı (Pulse Compression Gain, PCG) olarak adlandırılır. Menzildeki bu iyileşme miktarı pratikte PCG kazancının yaklaşık 4. dereceden kökü kadardır.
Bununla beraber bu yöntemin asgari ölçme menzilinin oldukça kötüleşmesi gibi bir kaybı söz konusudur. Gönderici aktif olduğu sürece dubleks cihazı alıcıya anahtarlama yapmaz, alıcı kesildiğinden bu süre içinde herhangi bir işaret alınamaz.
|Üstünlükleri||Kayıpları|
|düşük darbe gücü, katıhal çıkışa uygun||daha fazla bağlantı masrafı|
|yüksek menzil||kötü asgari ölçme menzili|
|çok iyi menzil çözünürlüğü||zaman-yan lobları|
|gürültü bağışıklığı|
|daha zor tespit edilme|
Liste 1: Darbe sıkıştırma yönteminin üstünlükleri ve kayıpları
Doğrusal frekans modülasyonlu darbe sıkıştırması
Bu darbe sıkıştırma yöntemi ile gönderim darbesi doğrusal modüle edilir. Bu yöntemin bağlantılarının daha basit olması gibi bir avantajı vardır. Fakat doğrusal frekans modülasyonun dezavantajı, süpürücü („Sweeper”) adı verilen devre ile çok kolay gürültü üretebilmesidir. Gönderim darbelerinde mevcut frekanslardan beş adedini esas alan, aşağıda ki bağlantı örneğinde çalışma prensibi açıklanmıştır.
Resim 3: Bir darbe sıkıştırma prensip şeması
Resim 3: Bir darbe sıkıştırma prensip şeması
Resim 3: Bir darbe sıkıştırma prensip şeması
Gönderim darbesi, burada, bir zaman aralığı sayısı kadar varsayılan sabit frekansla bölünür. Her bir zaman aralığında ki frekansa tam olarak ayarlanmış süzgeçlerden gelen işaretler, her bir frekans için ardışık (kaskad) bağlı geciktirici ve toplayıcı kademelerden gelerek toplanırlar ve çıkışta bir toplam işaret oluştururlar.
Doğrusal frekans modülasyonu RRP-117 radarında uygulanmaktadır.
Modern tümleşik devre teknolojisi sayesinde devre maliyetlerini azaltmak mümkün olabilmektedir. Bu yöntem pratikte iki türlü gerçekleştirilebilir:
Resim 4: Bir zaman yan lobunun osiloskopta ki ve radar ekranında ki görüntüsü
- Bilgisayar kontrollü veri işlenmesiyle (A/D-dönüştürücü ile)
- SAW- Süzgeç ile (Yüzey Akustik Dalga cihazları, „Surface Acoustic Wave devices”)
Zaman-yan lobları
Sıkıştırma süzgeci çıkışında, hedef darbesinde zamansal olarak kaymış (yani menzilde), tekrarlanan yansımalar da (mirror images) bulunur. Bunlar zaman-veya menzil-yan lobları olarak bilinir. Yanda ki grafik bu yansımaları, hem zamanın fonksiyonu olarak osiloskopta ve hem de menzilin fonksiyonu olarak radar ekranında göstermektedir.
Hem zamansal aralıklar ve hem de genlik aralıkları sabit olduğundan, yan lobların işaret genlikleri bir ağırlık dağılımıyla kabul edilebilir bir seviyeye düşürülebilir. Eğer bu genlik ağırlık dağılımı yalnızca alıcı hattında yapılırsa, bu sefer de süzgeçlerde uyumsuzluğa ve işaret-gürültü-oranının azalmasına yol açar.
Bu yan lobların büyüklüğü darbe sıkıştırma yöntemiyle çalışan radarlarda çok önemli bir parametredir Yan lobların büyüklüğü bu ağırlık dağılımı ile -30 dB lik bir değere kadar düşürülebilir.
Doğrusal olmayan frekans modülasyonlu darbe sıkıştırması
modülasyonlu
olmayan
Resim 5: Simetrik biçim
Resim 7: Simetrisiz biçim
Doğrusal olmayan darbe sıkıştırma yönteminin bariz avantajları vardır. Örneğin, mevcut zaman yan lobların bastırılması için herhangi bir genlik ağırlık dağılımına, bu modülasyonda gerekli genlik dağılımını zaten kendisi yerine getirdiğinden ötürü ayrıca bir işlem yapmaya da gerek kalmaz.
Şimdi, büyüklüğü az, ama dik yan cephelere sahip zaman-yan loblarına rağmen, bundan böyle süzgeçle bir dengeleme yapmak mümkün olabilmektedir. Bu şekilde, genlik dağılımı ile ortaya çıkan işaret-gürültü-oranında ki kayıplarda önlenmiş olur.
Modülasyonun simetrik biçiminde, gönderim darbe süresinin ilk yarısınca çıkan (veya inen) bir frekans değişimi ve ikinci yarısınca inen (veya çıkan) bir frekans değişimi olur. Modülasyonun simetrisiz biçimi, simetrik biçiminin sadece ilk yarısının kullanıldığı halidir.
Doğrusal olmayan frekans modülasyonunun dezavantajları:
- bir karmaşık devre yapısı ve
- her bir gönderim darbesinin, kurallara uyum sağlamak üzere aynı özelliklere, örneğin genlik ağırlık dağılımının bilinen fonksiyona sahip olması nedeniyle, bir karmaşık modülasyonun ortaya çıkması.
Resim 6: Dalga Biçimleme Üreteci çıkışından alınan darbe-içi modülasyonlu simetrik gönderim darbesi (halen ara frekans değerinde)
Resim 6: Dalga Biçimleme Üreteci çıkışından alınan darbe-içi modülasyonlu simetrik gönderim darbesi (halen ara frekans değerinde)
Faz modülasyonu ile darbe sıkıştırması
Resim 8: Faz kodlu gönderim darbeleri diyagramı
Faz kodlanmış darbe biçimi, frekans modülasyonlu darbe biçiminden, uzun toplam darbenin aynı frekansta, fakat daha küçük alt-darbe (sub-impulse) biçimlerine bölünmesi ile ayrılır. Bu alt-darbeler, daima çözünebilen en küçük menzil olan bir menzil-hücresini (range-cell) temsil eder. Bu alt-darbeler aynı uzunluğa sahiptir ve alt darbelerin süresi içinde faz sabit kalır. Alt darbelerin arasında hızlı bir faz değişimi programlanabilir. Çoğu kez bu hızlı faz değişiklikleri sayısal olarak kodlanır.
Sayısal kod bir dizi mantık durumundan meydana gelir. Bu kodlara bağlı olarak gönderim işaretlinin faz durumu 0 ile 180° arasında ayarlanır. Gösterilen ve aşırı basitleştirilmiş resmin aksine, gönderim frekansı anahtar darbenin mutlaka bir tam katı değildir. Kodlanmış gönderim frekansı faz dönüş noktalarında genel olarak ahenksiz anahtarlanır.
|Kod uzunluğu, n||Kod-elemanı||dB olarak işaret-|
yan lob aralığı
|2||+-||-6.0|
|3||++-||-9.5|
|4||++-+ , +++-||-12.0|
|5||+++-+||-14.0|
|7||+++--+-||-16.9|
|11||+++---+--+-||-20.8|
|13||+++++--++-+-+||-22.3|
Liste 2: Barker kod tablosu
Aslında, 0/π-fazları denilen bu fazlardan uygun kodların seçimi çok kritiktir. Barker-kodlamasında bazı darbe adetleri ile optimal sonuçlar alınabilir. Bu optimal değerlerde beklenen yan lob seviyesi ölçülür. Yandaki tabloda sadece az sayıda optimal kod listelenmiştir. Bilgisayar destekli yapılan bir araştırmada sonucunda 6000 adede varan Barker kodunun incelenmesi sonucunda sadece 13 adedinin yan loblarda maksimum değere ulaştığı tespit edilmiştir.
Sonuç olarak, bu 13 adet darbe sayısından daha fazlasının mümkün olmadığı görülmüştür. 13 kod darbe adedi keza ulaşılabilir en yüksek sıkıştırma oranı 13 ü temsil etmektedir! Bu gerçekten çok az bir değer olan -22.3 dB dir.
Kaynak: „Теоретические Основы Радиолокации” Под редакцией профессора Я. Д. Ширмана, © Издательство „Советское Радио”, Москва 1970