DE102007041669B4

DE102007041669B4 - Verfahren zur Verbesserung der Signalqualität von Radaranlagen

Info

Publication number: DE102007041669B4
Application number: DE102007041669A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hofele Franz-Xaver; Jürgen Kinzler; Felix Pabst
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Hensoldt Sensors GmbH
Priority date: 2007-09-01
Filing date: 2007-09-01
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2027-09-02
Also published as: US20100194626A1; DE102007041669A1; US8193972B2; WO2009026911A3; WO2009026911A2; EP2191294A2

Abstract

Verfahren zur Verbesserung der Signalqualität eines pulsförmigen Sendesignals einer Radaranlage mit einer Pulskompressionsstufe, welches folgende Verfahrensschritte umfasst:
Berechnen einer Amplituden-Übertragungsfunktion einer Sendeverstärkeranordnung der Radaranlage in den Signalflanken,
Berechnen einer Umkehrfunktion der Amplituden-Übertragungsfunktion an den Signalflanken und
Anwenden der Umkehrfunktion auf die jeweilige Signalflanke des in der Sendeverstärkeranordnung zu verstärkenden pulsförmigen Sendesignals zur Erzeugung eines vorverzerrten Sendesignals, gekennzeichnet durch Modifizieren der Filterkoeffizienten eines Filters der Pulskompressionsstufe entsprechend des erzeugten vorverzerrten Sendesignals gemäß der Vorschrift

wobei
S(f): die Fourier-Transformierte des unverzerrten Sendesignals,
S_m(f): die Fourier-Transformierte des verzerrten Sendesignals,

S * / m(f)

: die komplex konjugierte von S_m(f),
H(f): die Fourier-Transformierte einer nicht modifizierten Filterkoeffizientenmatrix und
H_m(f): die Fourier-Transformierte einer modifizierten Filterkoeffizientenmatrix ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Signalqualität eines pulsförmigen Sendesignals einer Radaranlage mit einer Pulskompressionsstufe.
In Radaranlagen mit Pulskompression (PK) werden üblicherweise phasencodierte oder frequenzmodulierte Signalformen verwendet. Als frequenzmodulierte Pulse kommen die Lineare und die Nichtlineare Frequenzmodulation (FM) in Frage, bekannte Phasencodierungen sind Binär-, Barker- und Polyphasencodes, wobei die Barkercodes nichts anderes als Binärcodes mit speziellen Eigenschaften darstellen.
In der Signalaufbereitung werden für das Sendesignalspektrum möglichst kleine und schnell abklingende Nebenkeulen angestrebt, um bei Signal-Filterungen keine zu hohen S/N-Verluste (= Signal/Rausch-Verluste) in Kauf nehmen zu müssen. Die Nichtlineare FM hat durch ihre im Signal integrierte Wichtung günstigere spektrale Eigenschaften als die Lineare FM und als Binärcodes, deren abrupte Phasenumtastungen hohe Frequenzanteile im Spektrum verursachen. Ein günstiges Spektrum sollte bevorzugt einen moderaten Signal-Anstieg bzw. Abfall am Anfang bzw. Ende des Pulses aufweisen. Diese moderaten Signalflanken (Ein- und Ausschwingvorgang) sollten auch bei Binärcodes realisiert werden. Gleichzeitig sollte dann bei Binärcodes auch die Phase von Subpuls zu Subpuls nicht abrupt umgetastet werden, sondern sie sollte über einen vorgegebenen Zeitabschnitt stetig aus der vorangegangenen in die neue Position gedreht werden. Diese stetige Phasendrehung ist spektral am günstigsten bei einer maximalen Phasendrehzeit von einem Subpuls. In der Konsequenz werden Binärcodes dieser Art stetig phasendrehende Binärcodes genannt.
Im Empfangszug wird für die Pulskompression ein hohes Haupt- zu Nebenkeulen-Verhältnis (HNV) angestrebt, wobei die Nebenkeulen für einen nachgeschalteten CFAR-Algorithmus zusätzlich möglichst homogen angeordnet sein sollten (CFAR = Constant False Alarm Rate). Ein CFAR-Algorithmus errechnet adaptiv einen Schwellwert für die vorliegenden Ergebnisse und sichert eine konstant niedrige Falschalarmrate bei der Detektion von Abtastwerten bzw. Spektrallinien oberhalb dieser Schwelle. Für den (stetig phasendrehenden) 13er Barkercode beispielweise lässt sich über ein spezielles Verfahren ein PK-Mismatched-Filter der Länge 37 berechnen so, dass nach der PK ein HNV von über 42 dB mit homogenen Nebenkeulen resultiert.
Sowohl das Sendesignal mit moderaten Flanken und günstigem Spektrum als auch das gute PK-Resultat mit hohem HNV lassen sich etwa durch eine Simulation theoretisch nachbilden und darstellen. Problematisch ist hierbei allerdings, dass der Sender bei der Umsetzung und Erzeugung der Sendesignale diese theoretischen Ergebnisse nicht erzielen kann.
Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad bzw. eine möglichst geringe Verlustleistung zu erreichen, arbeitet der Radarsender üblicherweise im C-Betrieb.
Beim C-Betrieb wird der Arbeitspunkt in der Transfer-Funktion derart eingestellt, dass kein Arbeitsstrom fließt, d. h. der Verstärker öffnet nur, wenn ein Signal anliegt. Der Sender arbeitet somit mit einer Art Schalterbetrieb, welcher via Schwelle geregelt wird. Diese Schwelle stellt die Signalamplitude dar: ab einer bestimmten Amplitude macht der Verstärker komplett auf, d. h. er schickt das Signal in die Sättigung. Diese Tatsache macht aus den sorgfältig konstruierten und im Signalformspeicher abgelegten moderaten Flanken des Sendepulses nach dem Sendevorgang sehr steile Flanken, welche den Sendepuls in der Folge am Pulsanfang und am Pulsende verlängern. Um den gewünschten hohen Wirkungsgrad zu erzielen, hat man in der Folge also Signal-Verzerrungen in Kauf nehmen.
Steile Flanken im Zeitsignal führen zu hohen Frequenzanteilen im Spektrum und somit zu nicht gewünschten ungünstigen spektralen Eigenschaften.
Durch die Verlängerung des Zeitsignals am Anfang und Ende des Pulses ist das PK-Filter nicht mehr an das tatsächlich vorliegende Signal angepasst, was im PK-Ergebnis – insbesondere bei kurzen Pulsen – zu erhöhten Nebenkeulen und damit zu einem ungünstigen HNV führt.
Folglich macht der Sender sowohl ein günstiges Sendesignalspektrum als auch ein gutes PK-Ergebnis zunichte.
Im Stand der Technik ist aus der Druckschrift US 2003/0179831 A1 ein Verfahren zur Linearisierung eines Leistungsverstärkers für Radar- und Kommunikationssysteme bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine Amplituden-Übertragungsfunktion des Leistungsverstärkers ermittelt, die Umkehrfunktion der Amplituden-Übertragungsfunktion berechnet und auf das gesamte im Leistungsverstärker zu verstärkende Sendesignal zur Erzeugung eines vorverzerrten Sendesignals angewendet.
Die Druckschrift EP 0 427 206 A2 beschreibt die Erkennung und Korrektur von Verzerrungen bei Radarsystemen mit linearer Frequenmodulation, wie dem Pulskompressions-Radar. Dabei werden in einem Kalibrierungsmodus die Amplituden- und Phasenverzerrungen gemessen und Korrektursignale erzeugt, die zur Vorverzerrung dem Sendesignal überlagert werden.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit welchem ein verbessertes Sendesignalspektrum erzeugt und das Pulskompressionsergebnis verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den Verfahrensschritten gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird in einem ersten Schritt eine Amplituden-Übertragungsfunktion einer Sendeverstärkeranordnung der Radaranlage in den Signalflanken berechnet. In einem zweiten Schritt wird die Umkehrfunktion der Amplituden-Übertragungsfunktion an den Signalflanken des Signalpulses ermittelt. Anschließend wird die berechnete Umkehrfunktion auf die jeweilige Signalflanke des in der Sendeverstärkeranordnung zu verstärkenden pulsförmigen Sendesignals angewendet. Somit wird ein vorverzerrtes Signal erzeugt, welches dem Sendeverstärker zugeführt wird. Am Ausgang des Sendeverstärkers liegt somit ein Signal an, welches das gewünschte Sendesignalspektrum aufweist.
Gemäß der Erfindung wird also die nichtlineare Übertragung der Amplitude des Sendesignals durch den Sendeverstärker kompensiert. Letzterer wird im Weiteren auch als Sender bezeichnet. Mit anderen Worten, im ersten Schritt wird die Übertragungsfunktion des Senders bezüglich der Amplitude im Ein- und Ausschwingvorgang des Signals, d. h. in den Signalflanken berechnet. In den Signalflanken (in den Bereichen des Ein- und Ausschwingens des Signals) für den Sender wird also die nichtlineare Funktion der Ausgangsamplitude in Abhängigkeit von der Eingangsamplitude ermittelt.
Anschließend wird die Umkehrfunktion dieser Amplituden-Übertragungsfunktion des Senders gebildet und diese auf den Ein- und Ausschwingvorgang des Sendesignals angewendet – bevor dieses auf den Sender geschickt wird – d. h. man modifiziert A die Signalabtastwerte, welche üblicherweise in einem digitalen Signalformspeicher abgelegt werden, anhand der ermittelten Umkehrfunktion in den Signalflanken. Dieser Vorgang wird als Pulse Shaping oder Predistortion (Vorverzerrung) bezeichnet.
Das auf diese Weise modifizierte bzw. vorverzerrte Sendesignal geht dann auf den Sender. Die Amplituden-Übertragungsfunktion und das im Signalformspeicher umgesetzte Pulse Shaping kompensieren sich im günstigsten Fall so, dass quasi das ursprünglich gewünschte Sendesignal resultiert.
Das Pulse Shaping basiert auf der Modifizierung der Amplitude des Sendesignals in den Signalflanken. Darüber hinaus kann zusätzlich in gleicher Weise eine Modifizierung der Phase des Sendesignals in den Signalflanken erfolgen. Hierzu ist die Übertragungsfunktion des Senders im Bezug auf die Phase in den Signalflanken sowie deren Umkehrfunktion zu ermitteln.
In der Folge wird durch das Pulse Shaping trotz der Unzulänglichkeiten durch den Sender ein günstiges Spektrum mit kleinen Nebenkeulen sowie gute PK-Ergebnisse mit hohem HNV erreicht. Beim Pulse Shaping sollte das Hauptaugenmerk auf das Erreichen eines günstigen Spektrums gelegt werden. Zur Verbesserung der PK-Ergebnisse werden diese erfindungsgemäß durch Modifikation der PK-Filterkoeffizienten korrigiert. Die Modifikation der Filterkoeffizienten eines Filters der Pulskompressionsstufe entsprechend des erzeugten vorverzerrten Sendesignals wird dabei gemäß folgender Vorschrift durchgeführt:
wobei

S(f):: die Fourier-Transformierte des unverzerrten Sendesignals,
S_m(f):: die Fourier-Transformierte des verzerrten Sendesignals,
S * / m(f):: die komplex konjugierte von S_m(f),
H(f):: die Fourier-Transformierte einer nicht modifizierten Filterkoeffizientenmatrix und
H_m(f):: die Fourier-Transformierte einer modifizierten Filterkoeffizientenmatrix ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Sendepuls vor- und nach dem Sender im Basisband verglichen. Hierzu wird das Sendesignal nach dem Sender mit Hilfe eines Messkopplers ausgekoppelt und über einen Empfänger ins Basisband umgesetzt. Nach I/Q Demodulation und A/D Wandlung liegen die Abtastwerte des gesendeten Pulses vor. Durch den Vergleich von Sende- und Empfangspuls wird eine Fehlerfunktion ermittelt mittels der die Übertragungsfunktion des Senders angepasst wird. Mit anderen Worten die Fehlerfunktion wird verwendet zur Modifikation der Puls Shaping Kennlinie.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Weiteren anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 beispielhaft die Auswirkung eines Verstärker auf die Pulsflanke,
2 ein Blockschaltbild zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt die Auswirkung die ein Verstärker auf die ansteigende Pulsflanke eines Sendepulses ausübt. Kurve 1 den zeitabhängigen Verlauf der Signalamplitude für den Fall, dass keine Signalverstärkung stattfindet. Deutlich ist ein moderater Amplitudenanstieg zu erkennen.
Kurve 2 zeigt den zeitabhängigen Verlauf der Signalamplitude eines verstärkten Signals. An einem Punkt A zu einem Zeitpunkt T öffnet der Verstärker und das Signal wird verstärkt. Die Amplitude steigt steil an wodurch die Pulsbreite gegenüber dem unverstärkten Fall deutlich zunimmt.
Ein beispielhaftes Blockschaltbild zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 2 dargestellt. in einem Signalgenerator SG, z. B. ein digitaler Signalgenerator mit nachgeschaltetem D/A-Wandler, wird ein pulsförmiges Signal S_E erzeugt und einem Signalverstärker zugeführt. Das am Ausgang des Signalverstärkers SV an- liegende Ausgangssignal S_A wird einer Antenne A zugeführt. Außerdem wird mittels eines nicht dargestellten Messkopplers ein Teil des Ausgangssignals S_A abgezweigt und einer Empfängeranordnung E zugeführt. Dieser Empfängeranordnung E wird außerdem mittels eines nicht dargestellten Messkopplers ein Teil des dem Eingang des Signalverstärkers zugeführten Signals S_E zugeführt. Die Empfängeranordnung vergleicht die Signale S_E und S_A und erzeugt ein Korrektursignal, welches dem Signalgenerator SG zugeführt wird. Der Signalgenerator SG erzeugt nun Signale S_E welche an die Übertragungsfunktion des Signalverstärkers adaptiv angepasst werden.

Claims

Verfahren zur Verbesserung der Signalqualität eines pulsförmigen Sendesignals einer Radaranlage mit einer Pulskompressionsstufe, welches folgende Verfahrensschritte umfasst: Berechnen einer Amplituden-Übertragungsfunktion einer Sendeverstärkeranordnung der Radaranlage in den Signalflanken, Berechnen einer Umkehrfunktion der Amplituden-Übertragungsfunktion an den Signalflanken und Anwenden der Umkehrfunktion auf die jeweilige Signalflanke des in der Sendeverstärkeranordnung zu verstärkenden pulsförmigen Sendesignals zur Erzeugung eines vorverzerrten Sendesignals, gekennzeichnet durch Modifizieren der Filterkoeffizienten eines Filters der Pulskompressionsstufe entsprechend des erzeugten vorverzerrten Sendesignals gemäß der Vorschrift
wobei S(f): die Fourier-Transformierte des unverzerrten Sendesignals, S_m(f): die Fourier-Transformierte des verzerrten Sendesignals, S * / m(f) : die komplex konjugierte von S_m(f), H(f): die Fourier-Transformierte einer nicht modifizierten Filterkoeffizientenmatrix und H_m(f): die Fourier-Transformierte einer modifizierten Filterkoeffizientenmatrix ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin folgende Verfahrensschritte umfasst: Berechnen einer Phasen-Übertragungsfunktion der Sendeverstärkeranordnung in den Signalflanken, Berechnen einer Umkehrfunktion der Phasen-Übertragungsfunktion an den Signalflanken und Anwenden der Umkehrfunktion auf die jeweilige Signalflanke des in der Sendeverstärkeranordnung zu verstärkenden pulsförmigen Sendesignals.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Vergleich des dem Sendeverstärker zugeführten Signals mit dem von dem Sendeverstärker erzeugten Ausgangssignal eine Fehlerfunktion zur Anpassung der Übertragungsfunktion der Sendeverstärkeranordnung berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zu vergleichende Ausgangssignal des Sendeverstärkers in das Basisband transformiert, anschließend eine I/Q Demodulation und Analog-Digital-Wandlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal digital geformt, anschließend analog gewandelt und dem Sendeverstärker zugeführt wird.