Chirp

Signal, dessen Frequenz sich zeitlich ändert

Als ein Chirp (englisch (to) chirp „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.

Chirp-Impuls mit linearem Frequenzanstieg
Hörbeispiel: Ortungsrufe einer Zwergfledermaus, Wiedergabe 20-fach verlangsamt.
Am Anfang der Aufnahme beginnen die Rufe mit einem Chirp, der bei ca. 70 kHz einsetzt und in wenigen Millisekunden auf 46 kHz abfällt. Die Gesamtdauer eines Rufes beträgt ca. 15 Millisekunden.

Gesendete Chirp Signale können mithilfe von Optimalfiltern in einem stark verrauschten Empfangssignal erkannt werden, siehe Pulskompressionsverfahren (Ortung).

Chirp-Beschreibung Bearbeiten

Ein Chirp besitzt eine Zeitableitung der Frequenz ungleich Null, ähnlich der Winkelbeschleunigung α.

 
 

Die zeitliche Entwicklung dieses Wertes kann eine regelmäßige Form annehmen.

Beispiele Bearbeiten

Linearer Chirp Bearbeiten

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

 
 

und es gilt für den Zeitverlauf  :

 

Akustisches Beispiel: Linearer Chirp (5 Wiederholungen)/?

Exponentieller Chirp Bearbeiten

 
Chirp-Impuls mit exponentiellem Frequenzanstieg

Für Radar oder Sonar werden oft exponentielle Chirps eingesetzt. Hier lautet die Frequenzabhängigkeit von der Zeit, wenn   die feste Grundfrequenz ist und   eine Konstante, die den Faktor der Frequenzänderung pro festem Zeitintervall   beschreibt, mit dem Zeitfaktor   :

 
 

und damit der Zeitverlauf der Auslenkung:

 

Akustisches Beispiel: Exponentieller chirp (5 Wiederholungen)/?

Potenzfunktionen Bearbeiten

In einer weiteren Definition hat ein Chirp in Amplitude und Frequenzverlauf die Form von Potenzfunktionen

 

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

Anwendungen Bearbeiten

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 zahlreiche Fledermausarten Chirp-Impulse zur Ortung ein.

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

Verringerung der Impulsleistung bei Radar Bearbeiten

 
Pulskompression mit einem SAW-Filter

Um Echosignale weit entfernter reflektierender Objekte aus dem Rauschen herauszufiltern, 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 mit Hilfe eines Korrelationsverfahrens im Rauschen gut entdeckt werden.

Dispersion bei Licht Bearbeiten

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

  mit  

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 Bearbeiten

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 bis 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).[1]

Weblinks Bearbeiten

Commons: Chirp – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Sonstiges Bearbeiten

Als Backronym für CHIRP wurde Compressed High Intensity Radiated Pulse erfunden.[2]

Garmin Chirp ist ein kleines Funkmodul, das mit kompatiblen Navigationsgeräten von Garmin kommuniziert, um auf einen nahen Geocache mit Zusatzinformationen hinzuweisen, Besucher zu zählen und diese Zahl dem Besitzer des Chirp bei Annäherung anzuzeigen.[3]

Chirp ist der Name einer freien Software, mit der Amateurfunkgeräte vieler Hersteller mit unterschiedlichsten Datenformaten als Input programmiert werden können.[4]

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Ryan Moody Fishing: Garmin CHIRP technology compared to traditional fish finding sonar In: YouTube, 20. Juni 2015, abgerufen am 18. Juli 2017. – Video (8:24), englisch
  2. 2:38/8:24 des YouTube-Videos.
  3. Garmin Chirp trekkinn.com, abgerufen am 18. Juli 2017.
  4. Chirp Homepage chirp.danplanet.com, abgerufen am 26. Oktober 2018.