2.1.1. Tổng quan về kỹ thuật nén xung
Kỹ thuật nén xung là một thuật ngữ tổng quát chung được dùng để miêu tả một quá trình xử lý sửa lại dạng xung điện từ có độ dài lớn khi phát đi bằng cách sử dụng các tính chất của mạch điện truyền dẫn sóng. Các xung được điều chế tần số để giải quyết vấn đề cải thiện khả năng phát hiện mục tiêu khi phản xạ trở về có thể bị chồng lấn lên nhau.
Việc nén xung xuất phát từ nhu cầu cần khuếch đại công suất đỉnh của các xung phát bằng cách nén lại về mặt thời gian. Đó là phương pháp cho phép kết hợp giữa ưu điểm của một xung dài có năng lượng lớn với việc đạt được độ phân giải cao với độ rộng xung ngắn. Cấu trúc của xung như Hình dưới đây:
Hình 2.1. Xung dài được điều chế tần số tuyến tính
Do mỗi phần của xung có một tần số khác nhau nên có thể tách riêng hoàn toàn các tín hiệu phản xạ
Hình 2.2. Sự phân tách các xung điều tần
Việc điều chế hoặc mã hóa xung có thể được hiện bằ sau:
- Điều chế tần số (FM):
Điều tần tuyến tính (dạng xung Chirp); hoặc
Điều tần phi tuyến theo dạng: đối xứng hoặc bất đối xứng; hoặc
- Điều chế pha – PM.
Lúc này máy thu có thể tách các mục tiêu có nhiễu chồng lấn lên. Các tín hiệu phản xạ được xử lý trong máy thu bằng các bộ lọc nén tín hiệu. Bộ lọc nén điều chỉnh lại quan hệ giữa các pha của các thành phần tần số sao cho có thể tạo ra được một xung hẹp hay còn gọi là xung bị nén. Do đó, radar sẽ đạt được cự ly phát hiện cực đại tốt hơn so với radar truyền thống.
Hình 2.3. Xung ngắn (xanh da trời) và xung dài được điều chế (xanh lá cây)
Khả năng cải thiện được độ phân giải cự ly của máy thu so với các radar truyền thống được gọi là tỉ số nén xung – PCR (Pulse Compression Ratio).
Ví dụ: Với tỉ số nén xung là 50:1, độ phân giải cự ly sẽ giảm đi 1/50 so
với radar truyền thống.
Tỉ số nén xung có thể được biểu diễn bằng tỉ số giữa độ phân giải cự ly của một xung chưa được điều chế có độ rộng là với xung được điều chế có cùng độ dài và băng thông B như sau:
Đại lượng bằng tích số giữa Thời gian – Độ rộng băng thông của xung đã được điều chế bằng Độ lợi nén xung – PCG (Pulse Compression Gain).Vì vậy, khi áp dụng hệ số cải thiện bằng Tỉ số nén xung – PCR vào phương trình xác định độ phân giải cự ly, ta có:
(35)
Tỉ số nén xung – PCR bằng số lượng xung con trong dạng sóng phát, nghĩa là bằng số lượng các phần tử mã. Vì vậy, độ phân giải cự ly sẽ tỉ lệ với độ dài thời gian của một phần tử mã. Cự ly phát hiện cực đại sẽ tăng lên một lượng bằng căn bậc 4 của PCR.
Kỹ thuật này không cải thiện cự ly phát hiện tối thiểu. Độ rộng của xung phát vẫn giữ nguyên, do đó cũng yêu cầu bộ chuyển mạch thu/phát – duplexer giữ ở trạng thái phát trong suốt thời gian tồn tại xung phát.Vì vậy, Rmin không bị tác động.
Ƣu điểm Nhƣợc điểm
Công suất xung thấp hơn. Vì vậy thích
hợp cho máy phát xung bán dẫn Cấu trúc mạch phức tạp
Cự ly phát hiện cực đại cao hơn Cự ly phát hiện tối thiểu kém
Độ phân giải cự ly tốt Bị ảnh hưởng các búp sóng biên theo thời gian
Khả năng miễn nhiễu tốt hơn
Gây khó khăn cho việc do thám (của địch)
Bảng 2.1. So sánh ưu, nhược điểm của kỹ thuật nén xung
2.1.2. Phƣơng pháp nén xung điều tần tuyến tính
Phương pháp này điều chế tần số tuyến tính các xung phát. Phương pháp này có ưu điểm là mạch điện vẫn được giữ khá đơn giản. Tuy nhiên, việc điều chế tần số tuyến tính có nhược điểm đó là các tín hiệu nhiễu hại có thể ảnh hưởng dễ dàng và được gọi là Bộ quét tín hiệu - “Sweeper”.
Hình vẽ dưới đây mô tả các bộ lọc nén xung.
Hình 2.4. Sơ đồ khối đơn giản mô tả quá trình nén xung
Các bộ lọc nén chỉ là những dây trễ phân tán, có đặc tính trễ là một hàm tuyến tính theo tần số. Bộ lọc nén cho phép phần cuối cùng của xung “đuổi kịp”
phần đầu của xung, và tạo ra một xung hẹp có biên độ lớn ở ngõ ra.
RRP-117 là một loại radar sử dụng kỹ thuật nén xung điều chế tần số tuyến tính.
Hiện nay, các bộ lọc của radar nén xung điều tần tuyến tính dựa trên 2 loại chính sau đây:
- Xử lý tín hiệu số (sau khi đã chuyển đổi A/D)
Hình 2.5. Bộ lọc SAW có độ rộng các khe cộng hưởng giảm tuyến tính
Ngõ ra của bộ lọc nén xung gồm các xung đã được nén kèm theo đáp ứng xung ở những thời gian khác (nghĩa là ở những cự ly khác), được gọi là các búp sóng biên phụ theo thời gian hoặc theo cự ly.
Trong số biên độ của các tín hiệu ngõ ra có thể được sử dụng để giảm búp sóng biên theo thời gian đến một mức chấp nhận được. Việc gán trọng số khi thu sẽ làm cho bộ lọc bị “mất phối hợp trở kháng - mismatch” và bị suy giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu.
Các mức tín hiệu búp sóng biên là những tham số quan rtong khi xác định kỹ thuật nén xung. Việc áp dụng các hàm trọng số có thể giảm các búp sóng biên đi 30 dB.
2.1.3. Phƣơng pháp nén xung điều tần phi tuyến
Nén xung điều tần phi tuyến có những ưu điểm nổi bật. Tín hiệu điều tần phi tuyến không cần điều chỉnh các trọng số biên độ để nén búp sóng phụ theo thời gian (time-sidelobe suppression) trong khi đó việc điều chế tần số được thiết kế để tạo ra phổ biên độ momg muốn, nghĩa là có thể đạt được các mức búp sóng phụ của xung được nén thấp mà không cần điều chỉnh trọng số biên độ.
Bộ lọc phối hợp trở kháng đầu vào và các búp sóng phụ thấp rất phù hợp với thiết kế này. Do đó, sự giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu liên quan đến trọng số do các kỹ thuật tạo ra sự mất phối hợp trở kháng thường gây ra đã được loại bỏ.
Dạng sóng đối xứng có một tần số mà khi tăng (hoặc giảm) theo thời gian trong 1/2 đầu của xung và tăng (hoặc giảm) trong ½ thời gian sau của xung. Dạng sóng bất đối xứng chỉ sử dụng ½ dạng sóng đối xứng.
Hình 2.6. Dạng sóng điều chế nén xung điều tần phi tuyến đối xứng
Hình 2.8. Dạng sóng ngõ ra bộ tạo tín hiệu bộ nén xung điều tần phi tuyến đối xứng
Điểm bất lợi của kỹ thuật điều tần phi tuyến đó là: Hệ thống phức tạp do cần phải có các thiết kế điều chế FM riêng biệt cho mỗi kiểu xung để có được mức tín hiệu sóng biên (sidelobe) phù hợp.
2.1.4. Phƣơng pháp nén xung mã hóa pha (Phase – Coded Pulse compression)
Hình 2.9. Giản đồ nén xung mã hóa pha
Các dạng sóng mã hóa pha khác với các dạng sóng điều tần đó là các xung dài được chia nhỏ thành một số xung ngắn hơn. Một cách tổng quát, mỗi xung con tương ứng với một dải số nhị phân. Các xung con có độ dài bằng nhau, mỗi xung được phát theo các pha riêng. Pha của mỗi xung con được lựa chọn tương ứng với mã pha. Kiểu mã pha được sử dụng nhiều nhất là kiểu mã hóa pha theo mã nhị phân.
Mã nhị phân gồm có một chuỗi các giá trị +1 và -1. Pha của các tín hiệu phát thay đổi giữa 0o
và 180o tương ứng với trình tự của các phần tử theo pha mã như hình dưới đây. Với tần số phát thông thường không phải là bội số của giá trị nghịch đảo độ rộng của xung con, các tín hiệu được mã hóa thông thường là không liên tục tại các điểm đảo pha.
Độ dài mã n Các phần tử mã Tỉ số giữa búp sóng đỉnh và sóng biên (Peak-sideloberatio) dB 2 +- -6.0 3 ++- -9.5 4 ++-+ , +++- -12.0 5 +++-+ -14.0 7 +++--+- -16.9 11 +++---++--+- -20.8 13 +++++--++-+-+ -22.3 Bảng 2.2. Mã Barker
Trong thực tế việc chọn giữa các pha 0, có tính chất gần như ngẫu nhiên (Giả ngẫu nhiên). Một loại mã nhị phân tối ưu gọi là mã Barker. Mã này có tính tối ưu vì tạo ra búp sóng biên thấp và có biên độ bằng nhau. Chỉ có một số lượng mã tối ưu rất ít tồn tại. Theo tính toán có đến 6000 mã Barker nhưng độ dài tối đa là 13.
Cần lưu ý là không có giá trị nào lớn hơn 13 có nghĩa là tỉ số nén 13 là khá thấp. Mức sóng biên được nén đến -22.3 dB.