Chirp

Chirp-Impuls mit linearem Frequenzanstieg

Datei:Ultrasonic bat calls.ogg

Als ein Chirp (englisch „tschilpen, zirpen, Zwitschern“) oder eine Zirpe wird in der Signalverarbeitung ein Signal bezeichnet, dessen Frequenz sich zeitlich ändert. Dabei wird zwischen positiven Chirps – bei denen die Frequenz zeitlich zunimmt – und Negativen [Chirps] – die eine Frequenzabnahme aufweisen – unterschieden.

Technische Anwendungen liegen bei der Aussendung von Mikrowellen bei dem Synthetic Aperture Radar und bei bandspreizenden Modulationsverfahren wie Chirp Spread Spectrum (CSS). In der Natur setzen Fledermäuse zur Ortung Chirp-Impulse ein.

Starke, kurze Laserpulse werden „gechirpt“, um sie – mit dadurch vergrößerter Pulsdauer – verstärken zu können (Chirped Pulse Amplification).

Chirp-Beschreibung

Ein typisches Beispiel ist ein Signal x(t) mit dem folgenden Zeitverlauf:

$x(t)=\sin (2\pi \int f(t)dt)$

In diesem Fall wird f (t) als eine zeitabhängige Frequenz interpretiert, für das unbestimmte Integral ist eine konkret fixierte Stammfunktion von f(t) einzusetzen. Diese Interpretation erfordert eine genauere Erklärung, da nach dem Unschärfeprinzip der Fourier-Transformation (s. auch Heisenbergsche Unschärferelation) es nicht möglich ist, Zeitpunkt und Frequenz gemeinsam genau zu bestimmen.

Die Frequenzangabe ist so zu verstehen, dass in einem Zeitintervall $[t_a,t_e]$ etwa ${\int }_{t_a}^{t_e}f(t)dt$ volle Perioden des Sinus durchlaufen werden, die durchschnittliche Frequenz also $\frac{1}{t_e-t_a}{\int }_{t_a}^{t_e}f(t)dt$ beträgt. Nach dem Mittelwertsatz der Integralrechnung gibt es wenigstens einen Zeitpunkt $t_m\in (t_a,t_e)$, zu dem $f(t_m)$ diesen Wert auch annimmt. Um von einer momentanen Frequenz zu sprechen, sollte das Zeitintervall mehrere volle Perioden umfassen, aber die Änderung von f(t) in diesem Intervall klein sein, so dass die mittlere Frequenz immer nahe dem Wert von f(t) liegt.

Beispiele und Anwendungen

Verringerung der Impulsleistung bei Radar

Pulskompression mit einem SAW-Filter

Um Radarantworten weit entfernter Reflexe aus dem Rauschen herauszuhören, muss eine gewisse Mindestenergie empfangen werden. Für genaue Entfernungsmessungen benötigt man aber möglichst kurze Sendeimpulse, denn bei einem 0,1 µs kurzen Sendeimpuls ist das Wellenpaket bereits 30 m lang. Die Kombination beider Anforderungen führt zu immensen Sendeleistungen von 10 MW, deren Erzeugung in Flugzeugen oder Satelliten Probleme bereitet. Als Ausweg wird beim Pulskompressionsverfahren ein leistungsschwacher Chirp-Impuls längerer Gesamtdauer gesendet, der beim Empfang durch spezielle Filter oder mathematische Verfahren zu einem erheblich kürzeren Impuls komprimiert wird. Dieser kann dann im Rauschen gut entdeckt werden.

Linearer Chirp

Für den Spezialfall eines linearen Chirp steigt die Frequenz linear mit der Konstanten k an:

$f(t)=f_0+kt,$

und es gilt für den Zeitverlauf x(t):

$x(t)=\sin (2\pi \underset{0}{\overset{t}{\int }}f(t^{\prime })d{t}^{\prime })=\sin (2\pi \underset{0}{\overset{t}{\int }}(f_0+k{t}^{\prime })d{t}^{\prime })=\sin (2\pi (f_0+\frac{k}{2}t)t).$

Akustisches Beispiel:

Exponentieller Chirp

Chirp-Impuls mit exponentiellem Frequenzanstieg

Für Radar oder Sonar werden oft exponentielle Chirps eingesetzt. Hier lautet die Frequenzabhängigkeit von der Zeit, wenn f₀ die feste Grundfrequenz ist und k eine Konstante:

$f(t)=f_0{k}^t,$

und damit der Zeitverlauf x(t):

$x(t)=\sin (2\pi \underset{0}{\overset{t}{\int }}f(t^{\prime })d{t}^{\prime })=\sin (2\pi f_0\underset{0}{\overset{t}{\int }}{k}^{t^{\prime }}d{t}^{\prime })=\sin (\frac{2\pi f_0}{\ln (k)}(k^t-1)).$

Akustisches Beispiel:

Gravitation

In einer allgemeineren Definition hat ein Chirp die Form

$x(t)=|t{|}^a\sin \left(2\pi t^{-b}\right),$

mit den Parametern a und b. Diese Signalform kommt in der Praxis bei der Detektion von Gravitationswellen vor.

Dispersion bei Licht

In der Optik werden Lichtpulse durch einen wellenlängenabhängigen Brechungsindex, der sog. Dispersion, verzerrt:

$n(\lambda )=n_0+n_1\lambda +n_2{\lambda }^2+\dots$ mit $n_i=\frac{{\partial }^{(i)}n(\lambda )}{\partial {\lambda }^i}.$

Bei der Erzeugung und Übertragung ultrakurzer Lichtpulse ist es notwendig, diese Phasenverschiebung zu kompensieren. Dazu werden neben Prismen auch sogenannte Chirpspiegel (engl.: chirped mirrors) eingesetzt, die aufgrund einer frequenzabhängigen Reflexion ausgedehnte und verzerrte Pulse wieder komprimieren können.

Bei der direkten Modulation von Halbleiterlasern entsteht der meist unerwünschte Laser-Chirp, siehe Distributed Feedback Laser

Anwendung Sonar

Um die Gewässertiefe und Fische mittels Sonar zu detektieren werden zumindest seit 2015 Geräte angeboten, deren Schallimpulse (Pings) nicht nur mehrere diskrete feste Frequenzen im nutzbaren Ultraschallspektrum von 28–235 kHz verwenden, sondern typisch 3 Bereiche dieses Spektrums durchwischen. Der niedrige von drei Frequenzbereichen reicht dabei von 28 bis 65 oder 70 kHz. Am niedrigen Ende des Bereichs wird die höchste Eindringtiefe in Wasser (jedoch geringe Winkelauflösung) erzielt, mit höherer Frequenz steigt die Detailauflösung (bei geringerer Reichweite).

Als Backronym für CHIRP wurde Compressed High Intensity Radiated Pulse erfunden.

Weblinks

Commons: Chirp – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Sonstiges

Garmin Chirp ist ein kleines Funkmodul, das mit kompatiblen Navigationsgeräten von Garmin kommuniziert, um auf ein nahes Geocache mit Zusatzinformationen hinzuweisen, Besucher zu zählen und diese Zahl dem "Besitzer" des Chirp bei Annäherung anzuzeigen.