http___radartutorial.de_10.processing_sp06.tr.html_1.xml
1.1 2.1 3.1 4.1 4.2 4.3 5.1 6.1 6.2 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 8.1 8.2 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 14.2 14.3 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 22.1 22.2 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6 23.7 24.1
In-phase & Quadrature Procedure Figure 1: Real and imagine quantities In-phase & Quadrature Procedure If already the IF-frequency with a fast but simple A/D-Converter is digitized, then I have a digital amplitude value for every rangecell. This one represents the real part of the complex echo signal but where does the phase information remain? Yes, with the simple method the phase information is lost! Synchronous Detector A complex quantity always consists of a real part (light green) and an imaginary part (light blue). However, an analog/digital converter always will take only the real part lying in the X-axis into account. This is no problem by older radars. The blip is composed of a minimum of 12 to 15 pulses. If one or two pulses have the real amplitude of zero (by maximum of phase shift), the blip is visibly anyway. But the newer radars use a so-called Monopulse Technology often. All data are a result of one transmitted pulse only. So we need the imagine data too! Sychronous detector provides a representation of the IF signal, including phase and amplitude without loss of information. The baseband in-phase (I) and quadrature-phase (Q) signals are digitized using a pair of A/D converters The synchronous detector is also referred to as a quadrature channel receiver, quadrature detector, I/Q demodulator, or coherent detector. Well, If I turn the whole construct by 90° ... then the former imaginary part then is exactly on the X-axis and can be digitized but the former real part is dropped now! But the amount of the original vector can be calculated again with help of the theorem of Pythagoras from these two results. And how turns one the whole construct by 90° now? Figure 2: Block diagram of synchronous detector Oh, this is quite simple: the phase of the signal must be moved by 90°. Both analogous parts of the signal then must be digitized. Now I have but twice so many data lines but the digital processor controlled signal processing primarily brings me very much more possibilities for this. The resulting digital data can then be processed using a wide variety of digital signal-processing algorithms. (Digital filters have for example very much steeper edges than analogous constructions ... ... by the very early conversion into digital signals neither noise can distort my data from the following signal way... and so on) The I and Q components are related as From this, the signal magnitude A and phase shift Φ can be calculated as Figure 3: In-Phase-signal (cyan) and Quadrature-signal (magenta) Why the I&Q evaluation? Radar front-end devices using direct down-conversion almost always offer both outputs. Now the question could be asked, that if you don't need the phase information, it would be sufficient to evaluate only one output. Yes, that would perhaps first bring a result, but very ineffectively. Again, look at Figure 1: The red pointer rotates quite fast depending on the Doppler frequency. But only the size of the green pointer can be measured. Only if the red pointer points in the same direction as the green pointer, you get an effective output signal. With smaller Doppler frequencies or even with fixed targets, the phase position changes slowly or not at all. Here the red pointer can remain in the position perpendicular to the green pointer and the radar cannot deliver an output signal at all. This can even happen at higher Doppler frequencies, because when using a sampling rate with a very specific frequency ratio to the Doppler frequency, a kind of stroboscope effect occurs. So only if both channels are evaluated, then the size of the red pointer can be calculated from both measured signals, independent of in which direction it points.
1.1 2.1 3.1 4.1 5.1 6.1 7.1 8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1 16.1 17.1
Aynı-faz ve Kuadratik-faz Yöntemi Resim 1: Vektör çizgesi Eğer ara frekans işaretleri basit Analog/Sayısal Dönüştürücü yöntemleri ile sayısallaştırılıyorsa, o zaman her bir menzil hücresi için, karmaşık sayı (complex numbers) ile ifade edilen yankı işaretlerinin gerçek bileşeni işaretin sayısal genliğini temsil eder, ama faz bilgisini nasıl elde edeceğiz? Evet, basit yöntemlerle şimdi faz bilgileri kaybolmaktadır! Bir karmaşık büyüklük daima yeşil renkli bir gerçek (real component) ve açık mavi renkli bir sanal bileşenden (imaginary component) oluşur. Fakat bir analog/sayısal dönüştürücü daima X-eksenindeki gerçek bileşeni dikkate almaktadır. Eğer tüm şekil saat yönünde 90° döndürülürse... ... o zaman önceden dikey Y-ekseninde bulunan sanal bileşen şimdi X-ekseninde yer alacak ve sayısallaştırılabilecektir, ama önceki gerçek bileşen olmadan! Bu iki değerden kırmızı renkli orijinal vektör Pisagor bağıntısı ile ve faz açısı ise trigonometrik formüllerle hesaplanabilir. Peki, bu tüm şekli nasıl 90° döndüreceğiz? Resim 2: Blok şeması Çok basit: İşaretin fazı 90° kaydırılarak. O zaman her iki analog bileşeninde sayısallaştırılması gerekir. Şimdi elimizde iki misli veri hattı bulunuyor, bu her şeyden önce verilerin sayısal, işlemci kontrollü işleme imkânlarını arttırmaktadır. (Sayısal süzgeçlerin süzme karakteristik eğrilerinin yan cepheleri analog benzerlerine göre çok daha diktir... Bu çok erken dönüştürme işlemi sayesinde hedefe ait işareti takip eden alım hattındaki gürültülerin hedef işaretiyle karışması da engellenir...) I ve Q bireysel bileşenleri bir trigonometrik yöntemle hesaplanabilir: İşaretin genliği A ve faz açısı Φ aşağıdaki formülerle yeniden hesaplanabilir: Neden I ve Q değerlendirmesi? Frekansı temel banda doğrudan indiren radar ön-uç aygıtları (front-end devices) hemen hemen iki çıkışa sahiptir. Şimdi şu sorulabilir: Eğer faz bilgisine ihtiyaç yoksa o zaman sadece bir çıkışın değerlendirilmesi yeterli olmaz mı? Evet, belki de başlangıçta bir sonuç alınırdı, ama bu çok etkisiz olurdu. Resim 1 e bir kez daha bakalım: Kırmızı vektör, Doppler frekansına bağlı olarak oldukça hızlı döner. Ancak, yalnızca yeşil vektörün boyutu ölçülebilir. Sadece kırmızı vektör yeşil vektörle aynı yönü gösteriyorsa bir etkili çıkış işareti alırsınız. Daha küçük Doppler frekanslarında veya hatta sabit hedeflerde, fazın konumu yavaş değişir ya da hiç değişmez. Burada kırmızı vektör yeşil vektöre dik konumda kalabilir ve radar, çıkış işareti de vermeyebilir. Bu, daha büyük Doppler frekanslarında bile olabilir, çünkü Doppler frekansına göre çok özel bir frekans oranına sahip bir örnekleme hızı kullanılırken, bir tür stroboskopik etki meydana gelir. Bu nedenle, ancak her iki kanal da birlikte değerlendirilirse, kırmızı vektörün boyutu, hangi yönü işaret ettiğinden bağımsız olarak ölçülen her iki işaretten faydalanılarak hesaplanabilir.