Geniş bant radar dalga formu üreteci tasarımı
Broadband radar waveform generator design
Yazar: EMRE DALKILIÇ
Danışman: PROF. DR. SELÇUK PAKER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı / Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Yakın gelecekteki radar uygulamalarında, aynı dar alanda çalışması gereken radar sistemlerinin sayısında büyük artış olacağı tahmin edilmektedir. Aynı dar ortamda çalışacak radar sistemlerinin birbirlerinden izole şekilde çalışması, yani her bir radar sisteminin dalga formunun diğer radar sistemlerinin dalga formlarına karşı anlam taşımayan bir formda olması (gürültü gibi) gerekmektedir. Projemizin amacı, bu belirttiğimiz türde çalışma ortamlarında radar sistemlerinin verimli şekilde çalışmasına imkan verecek çözümleri araştırmak, sorgulamak, uygulanması durumunda hangi türde yapıların ve sonuçların elde edilebileceğini göstermektir. 
Tezimizin giriş yani birinci bölümünde, tezimizin amacı, hangi önemli ihtiyaçları gidermeye yönelik hedefler koyduğu ve literatürde aynı alandaki diğer çalışmalardan temel olarak hangi noktalarda farklılaştığı gibi konulara değinilmiştir. Literatür araştırması bölümünde tezimizde kullandığımız yöntemi neden tercih ettiğimizden, tezimizde hangi donanımsal yapıları kullandığımızdan ve kullandığımız donanımsal yapıların literatürde tercih edilen diğer donanımsal yapılardan hangi temel noktalarda ayrıştığından bahsedilmiştir. Literatür araştırması bölümünde ayrıca, yakın zaman ve günümüz literatüründe bulunan ve tezimizi hazırlarken incelediğimiz kaynaklar belirtilmiştir. Literatürdeki bu belirtilen kaynakların bir kısmı tezimizde kullandığımız yönteme benzer yöntemleri, diğer kısmı ise literatürde bulunan farklı yöntemleri ele alan çalışmalardır.
Tezimizin ikinci bölümünde genel olarak dalga formlarının radar başarımına etkisinden bahsedilmiştir. Dalga formu türlerine genel bir bakış ile bölüme başlanmış, daha sonra radar çeşitlerinden teorik olarak bahsedilmiştir. Sonraki bölümde ise radar dalga formları hakkında detaylı teorik bilgi verilmiştir. Menzil çözünürlüğünü ve sinyal-gürültü oranını artırmak için yaygın olarak radar, sonar ve ekografi uygulamalarında kullanılan ve bir sinyal işleme tekniği olan darbe sıkıştırma tekniği ayrı bir bölüm olarak ele alınıp detaylı olarak anlatılmıştır. İkinci bölümün son kısmında ise radar belirsizlik fonksiyonu konusu detaylı olarak incelenmiştir. Radar belirsizlik fonksiyonu konusu, analog dalga formları için belirsizlik fonksiyonu ve ayrık kodlu dalga formları için belirsizlik fonksiyonu olmak üzere iki bölüme ayrılmıştır. Analog dalga formları için belirsizlik fonksiyonu, modüle edilmemiş tek darbe belirsizlik fonksiyonu ve eşevreli darbe dizisi belirsizlik fonksiyonu konuları olmak üzere iki alt bölümde incelenmiştir. Ayrıca MATLAB App Designer uygulaması kullanılarak geliştirilen masaüstü uygulamasında, modüle edilmemiş tek darbe ve eşevreli darbe dizisi için darbe genişliği, darbe tekrarlama aralığı ve darbe sayısı gibi giriş parametleri kullanılarak elde edilen belirsizlik fonksiyonu sonuçları gösterilmiştir. Ayrık kodlu dalga formları için belirsizlik fonksiyonu sadece faz kodlu dalga formları için incelenmiştir. Faz kodlu dalga formları içerisinde de sadece ikili faz kodları türlerinden biri olan sözde rastgele gürültü kodları incelenmiştir. Ayrıca MATLAB App Designer uygulaması kullanılarak geliştirilen masaüstü uygulamasında, sözde rastgele gürültü kodları için yazmaç uzunluğu ve chip genişliği gibi giriş parametreleri kullanılarak elde edilen belirsizlik fonksiyonu sonuçları gösterilmiştir.
Üçüncü bölümde tezimizin temel konusu olan geniş bant radar dalga formu üretim yapıları anlatılmıştır. Üçüncü bölümün ilk iki bölümünde, çok geniş bant ve yaygın dar bant radarlarının temel özelliklerinden ve örnek bir radar vericisi tasarımından bahsedilmiştir. Sonraki bölümde projemizin temel donanımlarından biri olan voltaj kontrollü osilatör (Voltage Controlled Oscillator - VCO) yapıları ve çeşitleri hakkında teorik bilgiler verilmiş, günümüzde yaygın kullanılan voltaj kontrollü osilatör ürün örneklerine değinilmiştir. Ayrıca HMC506LP4 / 506LP4E ve MAOC-009263 parça numaralı voltaj kontrollü osilatörlerin kullanılması için gerekli olan tüm teknik özellikler ayrıntılı olarak verilmiştir. Üçüncü bölümde son olarak sözde rastgele ikili dizilerin üretimi, sözde rastgele ikili dizilerin hangi donanım yapıları kullanılarak sözde rastgele ikili gerilim dizilerine dönüştürüldüğü ve elde edilen bu gerilim dizilerinin farklı giriş senaryoları için osiloskop ölçümleri verilmiştir. Bu bölümde ayrıca sözde rastgele ikili gerilim dizilerini elde etmek için kullanılan donanım yapılarının teknik özellikleri ve bu donanım yapılarının uygulamalarımızda nasıl kullanıldığı detaylı olarak anlatılmıştır.
Tezimizin gerçekleme ve ölçümler olarak adlandırılan dördüncü bölümünde, nasıl kullanıldığını üçüncü bölümde detaylı olarak anlattığımız donanım yapılarımız ile elde ettiğimiz sözde rastgele ikili gerilim dizilerinin MAOC-009263 parça numaralı voltaj kontrollü osilatöre uygulanması ile elde edilen sonuçlar anlatılmıştır. Üçüncü bölümde deterministik algoritma ile geliştirdiğimiz C kodu, STM32F4DISCOVERY Keşif kitine uygulanmış ve sonuç olarak bu geliştirme kartından 0V ve +3V gerilim seviyelerinden oluşan sözde rastgele ikili gerilim dizileri elde edilmişti. Yazmaç uzunluğu, chip genişliği, darbe tekrarı sayısı ve darbe süresinin darbe tekrarlama süresine oranı olmak üzere 4 adet giriş parametresi ile kontrol edilen bu gerilim dizileri VCO girişine uygulanmış ve VCO çıkışından elde edilen spektrum analizör ölçümleri verilmiştir. 0V ve +3V gerilim seviyelerinden oluşan sözde rastgele ikili gerilim dizilerini, +3V ve +6V gerilim seviyelerinden oluşan sözde rastgele ikili gerilim dizilerine dönüştürmek için evirmeyen toplayıcı işlemsel yükselteç devresi tasarlanmıştır. Bu devre sayesinde, işlemsel yükselteç çıkışında elde edilen                +3V ve +6V gerilim değerlerinden oluşan sözde rastgele ikili gerilim dizileri VCO girişine uygulanabilmiştir. Yazmaç uzunluğu, chip genişliği, darbe tekrarı sayısı ve darbe süresinin darbe tekrarlama süresine oranı olmak üzere 4 adet giriş parametresi ile kontrol edilen bu farklı gerilim seviyelerine sahip gerilim dizileri VCO girişine uygulanmış ve VCO çıkışından elde edilen spektrum analizör ölçüm sonuçları verilmiştir.
Tezimizin sonuç ve öneriler ismi verilen son bölümünde, dördüncü bölümde elde edilen ölçüm sonuçları detaylı olarak değerlendirilmiştir. 0V, +3V ve +3V, +6V gerilim seviyelerinden oluşan sözde rastgele ikili gerilim dizilerinin MAOC-009263 ürün numaralı VCO'ya uygulanması ile elde edilen sonuçlar, VCO'nun üçüncü bölümde detaylı olarak anlatılan karakteristik özellikleri ile uyumlu olarak elde edilmiştir. 0V, +3V gerilim seviyelerinden oluşan sözde rastgele ikili gerilim dizileri için elde edilen sonuçlarda, VCO RF çıkışının 2 farklı sinyal gibi davrandığı gözlemlenmiştir. +3V, +6V gerilim seviyelerinden oluşan sözde rastgele ikili gerilim dizileri için elde edilen sonuçlarda ise, VCO RF çıkışının 3 farklı sinyal gibi davrandığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
In the near future radar applications, it is estimated that there will be a large increase in the number of radar systems that need to operate in the same narrow space. The radar systems that will work in the same narrow environment must operate in isolation from each other, that is, the waveform of each radar system must be in a form that does not make sense against the waveforms of other radar systems (such as noise). The aim of our project is to investigate and question the solutions that will allow the radar systems to work efficiently in these types of work environments, and to show what types of structures and results can be obtained if they are implemented.
In the introduction, namely the first part of our thesis, subjects such as the purpose of our thesis, which important needs it sets to meet and at what points it differs from other studies in the same field in the literature are discussed. In the literature research section, it was mentioned why we preferred the method we used in our thesis, which hardware structures we used in our thesis, and at what basic points the hardware structures we used differ from other hardware structures preferred in the literature. In the literature research section, the sources found in the recent and current literature and that we examined while preparing our thesis are stated. Some of these mentioned sources in the literature are studies that deal with methods similar to the method we used in our thesis, while the other part deals with different methods found in the literature.
In the second part of our thesis, the effect of waveforms on radar performance is generally mentioned. The section started with an overview of the waveform types, then the radar types were mentioned theoretically. In the next section, detailed theoretical information about radar waveforms is given. Pulse compression technique, which is a signal processing technique widely used in radar, sonar and echography applications to increase range resolution and signal-to-noise ratio, is discussed as a separate section and explained in detail. In the last part of the second chapter, the subject of radar ambiguity function is examined in detail. The radar ambiguity function topic is divided into two parts: the ambiguity function for analog waveforms and the uncertainty function for discrete coded waveforms. The ambiguity function for analog waveforms has been examined in two sub-sections: the single unmodulated pulse ambiguity function and the coherent pulse train ambiguity function. In addition, in the desktop application developed using the MATLAB App Designer application, the ambiguity function results obtained by using input parameters such as pulse width, pulse repetition interval and pulse number for single unmodulated pulse and coherent pulse train are shown. The ambiguity function for discrete coded waveforms has been studied only for phase coded waveforms. Pseudorandom noise codes, one of the types of binary phase codes, have also been studied in phase coded waveforms. In addition, ambiguity function results obtained by using input parameters such as register length and chip width for pseudorandom noise codes are shown in the desktop application developed using the MATLAB App Designer application.
In the third chapter, broadband radar waveform generation structures, which is the main subject of our thesis, are explained. In the first two chapters of the third chapter, basic features of very broadband and wide narrowband radars and an example radar transmitter design are discussed. In the next section, theoretical information about voltage-controlled oscillator (VCO) structures and types, one of the basic hardware of our project, is given, and examples of voltage-controlled oscillators that are widely used today are mentioned. In addition, all the technical specifications required for the use of voltage-controlled oscillators with part number HMC506LP4 / 506LP4E and MAOC-009263 are given in detail. Finally, in the third chapter, the production of pseudorandom binary arrays, the hardware structures of pseudorandom binary sequences, and oscilloscope measurements for different input scenarios of these voltage strings are given. In this section, the technical characteristics of the hardware structures used to obtain the pseudorandom binary voltage sequences and how these hardware structures are used in our applications are explained in detail. 
In the fourth part of our thesis, which is called realization and measurements, the results obtained by applying the pseudorandom binary voltage sequences we have obtained with our hardware structures, which we have explained in detail in the third part, to the voltage-controlled oscillator with part number MAOC-009263 are explained. In the third part, the C code, which we developed with the deterministic algorithm, was applied to the STM32F4DISCOVERY Discovery kit and as a result, pseudorandom binary voltage sequences consisting of 0V and +3V voltage levels were obtained from this development board. These voltage sequences, controlled by 4 input parameters, namely register length, chip width, number of pulse repetitions, and the ratio of pulse duration to pulse repetition time, were applied to the VCO input and spectrum analyzer measurements obtained from the VCO output were given. A        non-inverting adder operational amplifier circuit was designed to transform pseudorandom binary voltage sequences consisting of 0V and +3V voltage levels into pseudorandom binary voltage sequences consisting of +3V and +6V voltage levels. Thanks to this circuit, pseudorandom binary voltage sequences consisting of              +3V and +6V voltage values obtained at the operational amplifier output can be applied to the VCO input. These voltage sequences with different voltage levels, which are controlled by 4 input parameters, namely register length, chip width, number of pulse repetitions and the ratio of pulse duration to pulse repetition time, are applied to the VCO input and the spectrum analyzer measurement results obtained from the VCO output are given. 
In the last part of our thesis called conclusions and recommendations, the measurement results obtained in the fourth part were evaluated in detail. The results obtained by applying the pseudorandom binary voltage sequences consisting of 0V, +3V and    +3V, +6V voltage levels to the MAOC-009263 product number VCO, were obtained in accordance with the characteristics of VCO detailed in the third section. In the results obtained for the pseudorandom binary voltage strings consisting of                                   0V, +3V voltage levels, it has been observed that the VCO RF output behaves like 2 different signals. In the results obtained for the so-called random binary voltage strings consisting of +3V, +6V voltage levels, it was observed that the VCO RF output behaves like 3 different signals.
In spectrum analyzer measurements obtained with pseudorandom binary voltage arrays consisting of 0V and + 3V voltage levels, it was observed that the bandwidth was approximately 1 GHz. Based on this information, we calculate that the radar range resolution for this scenario is approximately 0.3 meters.
In the spectrum analyzer measurements obtained with pseudorandom binary voltage arrays consisting of + 3V and + 6V voltage levels, it was observed that the bandwidth was approximately 500 MHz. Based on this information, we calculate that the radar range resolution for this scenario is approximately 0.6 meters.