N n xung th c chất là một quá trình phát một xung dài đ m hoá và x lí tín hiệu phản xạđể thu đư c xung h p. Như vậy hệ thống vừa c ưu điểm phát hiện của xung dài vừa c ưu điểm vềđộ phân giải khoảng cách của xung h p. Một xung dài c thểđư c tạo ra từ một xung h p. Xung h p là xung bao gồm nhiều thành ph n t n số c quan hệ về pha chặt chẽ với nhau. Nếu mối quan hệ về pha b thay đổi bởi một bộ l c làm di pha thì các thành ph n t n số sẽ kết h p để tạo ra xung gi n. Đ y là nh ng xung đư c truyền đi. Tín hiệu nhận đư c sẽđư c x lí ở máy thu bởi bộ l c n n (commpression filter). Bộ l c n n sẽ điều chỉnh quan hệ về pha của các thành ph n t n số để tạo ra xung h p hay xung n n. Tỉ lệ n n xung ở đ y là tỉ số của độ rộng xung gi n vàđộ rộng xung n n hoặc bằng tích của độ rộng xung T và băng thông tín hiệu truyền dẫn.
Tỉ lệ n n = B.T
Khi một radar phát một xung dài thì việc s dụng công suất trung bình hiệu quả hơn đồng th i không c n phải tạo ra nh ng xung c công suất đỉnh lớn. Thêm n a việc phát xung dài cho ph p tăng công suất trung bình mà không c n tăng t n số lặp xung vì vậy làm giảm c li làm việc không ổn đ nh của radar.
Tuy nhiên một hệ thống s dụng nh ng xung ng n lại c nh ng ưu, như c điểm sau:
80 xung dài) ρ = B c 2
với ρ: độ phân giải
c: tốc độánh sáng
B: băng thông tín hiệu
- Độ chính xác về c li: cáchệ thống xung ng n giải quyết tốt các vấn đề về c li.
- Giảm nhiễu: việc giảm số lư ng nhiễu phân tán bằng cách so sánh chúng với tín hiệu phản hồi của mục tiêu sẽ cho một tỉ số tín hiệu trên nhiễu như mong muốn.
- Khả năng tách mục tiêu từ các nhiễu trên mặt đất, biển là rất lớn
- Doppler: với một xung ng n thìđộ d ch t n từ mục tiêu di động sẽ nhỏ hơn dải thông trong máy thu. Do vậy chỉ c n bộ l c thích h p đơn làđủ cho việc tách tín hiệu .
Tuy nhiên n cũng c nh ng như c điểm sau:
- Do độ rộng của xung tỉ lệ ngh ch với dải thông nên dải thông của xung ng n sẽ lớn. τ =
B
1
- Dải thông của xung ng n quá rộng sẽ làm giảm dải động của máy thu .
- Ngoài ra hạn chế lớn nhất của xung ng n là về mặt công suất. Nếu hoạt động ở c li dài thì công suất phát sẽ rất lớn nên rất dễ gây ra s cố trên đư ng truyền của radar.
81
Tuy nhiên với các ưu điểm nổi bật nên xung ng n vẫn đư c s dụng rất rộng r i trong radar.
Với các radar n n xung việc phát đi một xung dài đư c m hoá và x líđể c đư c xung n n ở phía thu giúp cho hệ thống c đư c nh ng ưu điểm của cả xung ng n và xung dài.
Trong radar n n xung sẽ c một hệ thống bộ l c thích ứng để tạo ra xung n n. Các bộ l c thích ứng ởđ y c thể là bộ l c với đáp ứng t n số, bộ l c với đáp ứng theo th i gian hay bộ tương quan.
Tín hiệu thu đư c sẽđư c đưa tới bộ l c thích ứng. Đ u ra của bộ l c sẽ là xung n n. Trong d ch t n doppler một chu i các bộ l c đư c s dụng. M i bộ l c ứng với một t n số khác nhau.
hình 2.5 Xung chưa n n (a) và xung n n (b) sau khi qua bộ l c n n xung (trư ng h p lí tưởng không c nhiễu và suy hao)
82
Hình 2.6 Xung chưa n n (a) và xung n n (b) sau khi qua bộ l c n n xung (trư ng h p c nhiễu và suy hao)
Hình 2.7 So sánh năng lư ng của xung ng n(đ n n) và xung dài
2.2.1 Nguyên tắc chung về n n xung
Như ta đ biết xung ng n là xung c phổ rộng. Để c đư c phổ như vậy với một xung dài ta c thể s dụng phương pháp điều t n hoạc điều pha. Còn xung h p là xung c nhiều thành ph n t n số và gi a chúng c quan hệ về pha với nhau.
83
Xung dài đư c điều chế tăng dải thông B tức là n đư c n n lại bằng bộ l c thích h p của khối thu để c độ rộng xung tương ứng là 1/B. Quá trình x lí này đư c g i là quá trình n n xung.
Trong n n xung tỉ số n n xung đư c đ nh ngh a là tỉ số của độ rộng xung dài T vàđộ rộng xung n n τ. ải thông B vàđộ rộng xung n n τ c quan hệ
B =
1
N n xung cho ph p một radar đồng th i đạt đư c năng lư ng của một xung dài vàđộ phân giải của một xung ng n. Từ nhu c u s dụng xung ng n của radar thì k thật n n xung c thểđư c coi là một điều tất yếu phải c . Hiện nay trong các radar hiện đại thư ng s dụng một trong ba k thuật n n xung chính là:
- N n xung điều t n tuyến tính
- N n xung theo m pha
- N n xung điều t n phi tuyến
Phương pháp n n xung điều t n phi tuyến là một phương pháp mới. N đư c ứng dụng trong hệ thống máy thu của radar sơ cấp Alenia Marconi ATCR 33S- DPC tại sân bay Nội Bài.
2.2.2 Nh ng nhân tố t c động đến sự lựa chọn hệ thống n n xung
Việc ch n l a hệ thống n n xung d a vào loại s ng l a ch n và phương pháp truyền, x lí tín hiệu. S l a ch n dạng s ng lại phụ thuộc vào yêu c u về khoảng bao phủ, khoảng d ch t n Doppler, mức nhiễu loại bỏ, tỉ số S/N… của radar.
84
C hai dạng chủđộng và b động trong việc phát và x lí tín hiệu. Phát chủđộng là tạo ra dạng s ng c điều chế pha hay điều chế t n số s ng mang mà không liên quan đến việc gi n tín hiệu trong th i gian th c. Phát b động là phát với nh ng xung ng n đư c m hoá theo th i gian.
X lí chủđộng là quá trình trộn một phiên bản của tín hiệu đ truyền dẫn với tín hiệu nhận đư c và x lí tương quan. X lí b động là việc s dụng mạng n n (là s kết h p gi a các mạng gi n và bộ l c thích h p).
Tuy nhiên các quá trình b động hay chủđộng đều c thể s dụng trong cùng một radar.
2.3 Các dạng nén xung( các dạng sóng đƣợc mã hóa) 2.3.1N n xung điều tần tuyến tính ( Linear FM) 2.3.1N n xung điều tần tuyến tính ( Linear FM)
Tín hiệu điều t n tuyến tính là một trong nh ng dạng s ng dễđiều chếđể phát đi. S ng máy phát là một xung vuông c biên độ không đổi là A vàđộ rộng xung là T. T n sốđiều chế tăng tuyến tính từ f1đến f2 trong th i gian xuất hiện xung. Tín hiệu này đư c xem như là một tín hiệu điều t n lên (up-chirp). Về phía thu các tín hiệu phản xạ vềđư c cho qua bộ l c thích ứng (bộ tương quan) nên đ u ra là một hàm t tương quan của đ u vào.
85
Hình 2.8Sơ đồ khối một radar n n xung FM
Tín hiệu điều t n tuyến tính c dạng xung n n và tỉ số S/N rất nhạy cảm với d ch t n Doppler. Dạng s ng loại này rất thông dụng vàđư c dùng nhiều trong các hệ thống radar. Tuy nhiên n cũng c nh ng như c điểm như n c khoảng d ch t n Doppler kết h p sẽ làm xuất hiện thêm nhiễu trừ khi hoặc khoảng cách hay t n số Doppler đư c biết trước. Ngoài ra các tr ng số luôn luôn đư c yêu c u để giảm th i gian các búp phụ của xung n n để c mức chấp nhận đư c. Các tr ng số th i gian và tr ng số t n số g n như tương đương đối với điều t n tuyến tính và n gây ra suy hao từ 1 tới 2 dB trong tỉ số S/N.
86
Hình 2.9 N n xung FM tuyến tính
(a) Dạng s ng FM
(b) Tần số xung ph t theo thời gian (là một hàm tuy n t nh theo thời gian )
Hình 2.10Đ u ra bộ l c n n xung
Ta thấy chiều cao vàđộ rộng của xung ở gi a (hình ch p nh n) phụ thuộc vào băng thông vàđộ rộng xung chưa n n.
87
2.3.2 N n xung điều tần phi tuyến ( Nonliear FM )
N n xung điều t n phi tuyến ít đư c s dụng mặc dù chúng c nh ng thuận l i riêng biệt. Điều t n phi tuyến c nh ng ưu điểm trong việc tạo ra các búp phụ thấp, s dụng dạng s ng c biên độ cốđ nh và một bộ l c thích h p c suy hao thấp.
Điều t n phi tuyến không yêu c u tr ng số th i gian hay tr ng số biên độ cho việc ngăn chặn khoảng búp phụ. S tiếp nhận ở bộ l c thích ứng và các búp phụ thấp đư c tính toán tương thích trong thiết kế.
Đối với phương pháp này thì s suy hao tỉ số S/N kết h p với tr ng số do việc không tương thích trong k thuật sẽ b loại trừ. Khi dạng điều t n phi tuyến đư c s dụng thì biểu đồ c dạng hình đinh.
Nếu việc điều chế FM đối xứng đư c s dụng với tr ng số th i gian để giảm các búp phụ t n số thì dạng s ng điều t n không tuyến tính sẽ c một hàm g n như lí tưởng.
Đối với dạng s ng đối xứng thì n c t n số tăng (giảm) theo th i gian ở n a đ u chu kì và giảm (tăng) ở n a cuối chu kì. Còn dạng s ng không đối xứng thì c thể thu đư c bằng cách s dụng một n a của dạng đối xứng. Tuy nhiên dạng s ng điều t n không đối xứng lại c nh ng khoảng d ch t n Doppler kết h p ch o như của dạng s ng điều t n tuyến tính.
Ngoài nh ng ưu điểm thì dạng s ng điều t n phi tuyến còn c nh ng mặt bất l i sau thứ nhất là n giới hạn s mở rộng của thiết b phát điều t n không tuyến tính, thứ hai n c n thiết c s phân chia điều chế FM thiết kế cho m i phổ biên độđể thu đư c mức các búp phụ mong muốn, thứ ba n làm cho hệ thống phức tạp hơn
88
Hình 2.11 Dạng s ng điều t n không tuyến tính
(a) s ng ối xứng
(b) s ng không ối xứng
2.3.3. N n xung m pha ( Phase-coded waveforms )
Dạng s ng m pha rất khác với dạng s ng điều t n. N khác nhau ởđiểm s ng m pha thì xung chính đư c chia ra thành các xung phụ bằng nhau và m i xung phụ c một pha riêng. Các pha của m i xung phụđư c ch n l a theo một chu i m cho trước. Dạng s ng mà pha đư c s dụng rộng r i nhất là mà pha nh phân.
2.3.3.1M pha nh phân ( Binary phase-coded)
M pha nh phân bao gồm chu i số 0, 1 hoặc 1, -1. Tương ứng với n pha của các tín hiệu truyền dẫn thay đổi hoặc 0˚ hoặc 180˚. Tín hiệu của xung m hoá sẽ b gián đoạn ở nh ng ch đảo pha.
Tín hiệu thu đư c đư c cho qua bộ l c n n xung. Bộ l c ởđ y là các bộ x lí tương quan hay l c thích ứng. Sau khi qua bộ l c ta sẽ thu đư c xung
89
n n. Độ rộng xung n n ởđiểm n a biên độ bằng với độ rộng xung phụ. Tỉ lệ n n xung bằng số xung phụ trong dạng s ng ban đ u.
Hình 2.12 M pha nh phân
Việc th c hiện sốđư c s dụng trong hoạt động n n xung của hệ thống m pha nh phân. Hình vẽ sau mô tả hoạt động của hệ thống n n xung số m pha nh phân.
90
Tín hiệu RF nhận đư c cho qua bộ l c thông dải vàđư c giải điều chế bởi bộ tách pha i, Q. Bộ tách I, Q so sánh pha của tín hiệu trung t n IF với pha của tín hiệu dao động nội LO cùng t n số IF. Tín hiệu LO cũng đư c g i tới bộđiều chế RF để phát tín hiệu nh phân đ điều chể .
Pha của m i tín hiệu nh phân truyền đi là 0˚ hoặc 180˚ . Pha của tín hiệu nhận đư c tới LO b d ch đi một lư ng phụ thuộc vào khoảng cách và vận tốc mục tiêu. Lúc này 2 kênh x lí tín hiệu sẽđư c s dụng. Một kênh để khôi phục thành ph n pha 0 của tín hiệu, một kênh để khôi phục thành ph n vuông g c (pha 90˚).
Nh ng tín hiệu này sau đ đư c chuyển sang dạng số nh bộ chuyển đổi A/D, đư c x lí tương quan, lưu tr vàđư c so sánh.
Trong hệ thống này nếu một kênh th c hiện thay cho cả hai kênh thì suy hao trung bình tỉ lệ S/N là 3dB.
2.3.3.2 M Baker ( Baker codes )
Một dạng m đặc biệt của m nh phân là m Baker. Đỉnh của hàm t tương quan là N nếu như m c độ dài là N và c biên độ của đỉnh các búp phụ thấp. ởđ y N là số xung phụ và cũng là chiều dài từ m . Nh ng m này sẽđư c coi là lí tưởng cho n n xung radar nếu như n c độ dài từ m dài hơn. M Baker c chiều dài từ m không vư t quá 13. Do đ với hệthống radar n n xung s dụng m Baker thì tỉ lệ n n sẽ b giới hạn (không vư t quá 13).
Ngoài ra các m nh phân còn đư c thể hiện ở các dạng như m bù (1 chuyển thành 0 và 0 chuyển thành 1), m ngh ch, m bù đảo.
91
Hình 2.14 M Baker với chiều dài là 7
Hình 2.15 Bộ giải m pha nh phân cho n n xung s dụng dây trễ
2.3.3.3Chu i m c độ d i c c đ i (Maximal-length sequences)
M các thanh ghi d ch là m thu đư c bởi bộ phát ghi d ch c phản hồi tuyến tính. Các m này c cấu trúc như các chu i giả ngẫu nhiên gồm các số 0 và số 1. Một bộ phát ghi d ch điển hình c cấu tạo như hình sau (bộ phát gồm N t ng ghi d ch).
92
Hình 2.16 Bộ phát m các thanh ghi d ch gồm N t ng
Từ hình vẽ ta thấy đ u ra từ các t ng đặc trưng riêng đư c cộng bởi bộ môđun 2 (nếu đ u vào c số các số 1 là l thìđ u ra bằng 1, còn lại bằng 0). Các thanh ghi d ch đư c điều khiển bằng các xung đồng hồ. Đ u ra của bất cứt ng nào dưới tác động của xung đồng hồ sẽ d ch sang trạng thái tiếp theo (là 0 hoặc 1). Nếu bộ phát m các thang ghi d ch c N t ng thìđộ dài chu i là N = 2n -1.
Số các chu i c thể là M = ( n N ).n i (1- i P 1 ) . ởđ y Pi là hệ số của N
Nếu một bộ phát m thanh ghi d ch c 7 t ng thì t ng 6 và 7 đư c cho vào cộng môđun 2. Đ u ra của bộ cộng môđun 2 sẽđư c đưa vào đ u vào của bộ phát
Hình 2.17 Bộ phát m ghi d ch gồm 7 t ng
Còn nếu bộ phát c 8 t ng thì t ng 4, 5, 6, 8 đư c đưa vào cộng môđun2 và sau đ đư c đưa lại vào đ u vào.
Đối với loại m này thìđộ dài chu i chính bằng số xung phụ. Độ rộng băng t n của hệ thống đư c xác đ nh bởi tốc độđồng hồ. Nếu thay đổi cả tốc độđồng hồ và kết nối phản hồi thì ta c thể phát nhiều s ng với độ dài, băng thông đa dạng.
93
Hàm tương quan của loại chu i này c dạng hình đinh với đỉnh ở trung tâm và các búp phụ xấp xỉ bằng 0 ở xung quanh.
2.3.3.4M đa pha ( Polyphasse codes )
M đa pha là dạng s ng m pha bao gồm nhiều hơn hai pha đư c s dụng. Pha của các xung phụ thay đổi trong nhiều giá tr thay vì hai giá tr là 0˚ và 180˚ nhưở m pha nh phân.
M đa pha Frank xuất phát từ chu i pha dành cho xung phụ với việc s dụng ma trận. Chu i các pha c giá tr đư c xác đ nh theo biểu thức sau :
Φn = 2. ..(2 1) P n i với P là số pha n = 0,1, 2, 3…, P2-1 i là n modulo P
Đối với m ba pha P =3 thì các pha là 0, 0, 0, 0, 2π/3, 4π/3, 0, 4π/3, 2π/3.