КУРСОВАЯРАБОТА
«Анализ современныхцифровых радиоприемных устройств»
Содержание
Введение
1. Обзор современных схем построения цифровыхРПУ
1.1 Схемы построения цифровых РПУ
1.2 Представление сигналов в цифровойформе
2. Элементы цифровых РПУ
2.1 Цифровые фильтры
2.2 Детекторы отношений (цифровыедетекторы)
2.3 Цифровая индикация, контроль и управлениеЦРПУ
3. Помехоустойчивость ЦРПУ
4. Заключение
Используемая литература
Введение
Цифроваяобработка сигналов (ЦОС) в последние годы все шире используется в радиоприемныхустройствах. Прогресс в этой области вызван достижениями в микроэлектронике,позволившими создать вычислительные средства, обладающие высокимбыстродействием, малыми габаритами, весом и энергопотреблением. Интерес кцифровой обработке сигналов вызван тем, что на ее основе можно создаватьустройства с характеристиками, недостижимыми при использовании аналоговыхметодов обработки сигналов. Кроме того, применение устройств с цифровойобработкой в ряде случаев оказывается более выгодным с технической иэкономической точек зрения из-за их универсальности и возможности работать вразличных режимах. Сфера применения цифровой обработки непрерывно расширяется.Это радиосвязь, радио-, гидро-и звуколокация, телеметрия, анализ спектров,обнаружение сигналов на фоне помех, адаптивная коррекция каналов связи,адаптивная компенсация помех, анализ и синтез речи, радиовещание, телевидение,цифровые синтезаторы частот, цифровые методы измерений, обработка сигналов вгеологоразведке, сейсмологии, медицине и т.д. [I].
Цифровуюобработку сигналов следует отличать от цифровых методов передачи сообщений,когда подлежащие передаче аналоговые сигналы преобразуются в цифровую форму ужена передающей стороне. При этом может устраняться избыточность в сообщениях дляснижения скорости цифрового потока. Для повышения помехозащищенностиприменяется избыточное кодирование, перемежение и другие методы [2].
Цифроваяобработка сигналов — это более широкое понятие, чем цифровые методы передачисообщений. Она включает в себя, кроме описанных выше преобразований,додетекторную обработку (фильтрацию), детектирование и последетекторнуюобработку сигналов цифровыми методами. При этом передаваемые по каналам связисообщения могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. Цифровая обработкасигналов может охватывать не только фильтрацию и детектирование на приемнойстороне, но и формирование модулированных или манипулированных сигналов навходе канала связи цифровыми методами.
Несмотря намножество уже решенных технических задач, в области применения ЦОС существуетряд проблем, которые сдерживают широкое применение цифровой обработки врадиоприемных устройствах различного назначения. Это ограниченноебыстродействие цифровой элементной базы, ограниченные разрядность ибыстродействие преобразователей аналоговых сигналов в цифровые, возникающие приЦОС дополнительные искажения и шумы, ухудшение массогабаритных, энергетическихи экономических характеристик устройств ЦОС по сравнению с аналоговыми,недостаточно разработанные теоретические вопросы и методы расчета элементов иустройств ЦОС с заданными качественными показателями. Эти проблемы связаны какс отсутствием требуемой элементной базы, так и со сложностью происходящих вустройствах ЦОС процессов, математическое описание которых во временной испектральной областях оказывается гораздо более сложным, чем в аналоговыхустройствах. Вместе с тем цифровая обработка сигналов, несмотря на указанныенедостатки, имеет ряд преимуществ перед аналоговой обработкой:
значительноболее высокую точность обработки сигналов по сложным алгоритмам;
гибкуюоперативную перестройку алгоритмов обработки сигналов, обеспечивающую каксоздание многорежимных устройств, так и реализацию адаптивных систем;
высокуютехнологичность изготовления устройств ЦОС, связанную с отсутствиемнеобходимости настройки при изготовлении и регулировки при эксплуатации;
высокуюстепень совпадения и повторяемости характеристик реализованных устройств срасчетными характеристиками;
возможностьпостроения развивающихся интеллектуальных систем, способных к реконфигурации,поиску и обнаружению неисправностей;
большиевозможности автоматизации проектирования устройств с ЦОС;
высокостабильныеэксплуатационные характеристики устройств с ЦОС.
Этипреимущества позволяют применять цифровую обработку сигналов во многихрадиоприемных устройствах.
В даннойработе будут проанализированы различные схемы цифровых РПУ и сделаны выводы обих преимуществах, и применении в современной авиационной радиоэлектроннойаппаратуре.
1.Обзор современных схемпостроения ЦРПУ
1.1 Схемы построенияцифровых РПУ
Обобщенная схемацифрового радиоприемного устройства представлена на рисунке 1.
/>
Рисунок 1
Развитие техники итехнологии цифровых интегральных схем привело к тому, что заключительноесмешивание и фильтрация, осуществляемые в каскадах ПЧ, могут производиться ужев цифровой области. В приемниках с цифровой ПЧ происходит оцифровываниенепосредственно сигнала ПЧ. В качестве ПЧ гетеродина используется прямойцифровой синтезатор частот ПЦС называемый иногда генератором с цифровым(программным) управлением. Это устройство реализовано полностью сиспользованием цифровой техники и выполняется в виде специализированнойинтегральной схемы. Генератор формирует цифровые выборки двух синусоид с точнымсдвигом по фазе на 90 градусов
Важным является то, чтоинтенсивность формирования выходных выборок синусоиды всегда определяетсяопорной частотой, независимо от номинала генерируемой частоты. Номинал выходнойчастоты устанавливается путем изменения величины приращения фазы на выборку.Малое приращение фазы на выборку соответствует низким частотам, большоеприращение — высоким частотам. Величина приращения фазы на выборку прямопропорциональна выходной частоте и программируется в диапазоне от 0 до/>. Важным компонентом такогоприемника является цифровой смеситель, фактически состоящий из двух цифровыхперемножителей. Цифровые выборки входного сигнала от АЦП математическиперемножаются с цифровыми выборками синуса и косинуса, поступающими с выходацифрового гетеродина. В отличие от аналоговых смесителей, которые создают такжемного нежелательных компонент на выходе смесителя, цифровые смесители являютсяпрактически идеальными устройствами и производят только два выходных сигналасуммарной и разностной частот.
Опорный сигнал АЦПподается на гетеродин ПЦС. Цифровые выборки синусоиды с выхода гетеродинаопределяются опорной частотой/>, игенерируются со скоростью, равной частоте выборки АЦП, будучи синхронизированнымиодним опорным сигналом />. Использованиецифровой ПЧ кроме всего прочего позволяет избежать проявления разбалансаканалов I и Q, что приводит к хорошему подавлению зеркального канала. Этаархитектура, однако, требует применения быстродействующего АЦП, а это влечет засобой увеличение тока потребления всего тракта приема.
Основа приёмного канала —АЦП. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, Analog-to-digital converter, ADC) —устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровойсигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП(цифро-аналогового преобразователя, DAC).
Как правило, АЦП —электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Темне менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует такжеотносить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшимодноразрядным двоичным АЦП является компаратор.
АЦП позволяет перейти отаналогового к цифровому представлению сигнала для дальнейшего его анализа всхеме цифровой обработки сигнала.
Для корректной работы АЦПв канале также присутствуют ещё два устройства.МШУ — малошумящий усилительподнимает амплитуду сигнала до требуемого уровня для дальнейшейоцифровки.Устройство защиты приёмника — в простейшем случае — обычный разрядникне позволяющий перегрузить приёмный канал высоким уровнем сигнала (помехи).
На рисунке 2 изображенаструктурная схема одного канала современного приёмного многоканальногокомплекса, в котором использованы современные технические решения в областицифровой обработки радиосигнала на ПЧ.
/>
Рисунок 2
АЦП преобразуетаналоговый сигнал, поступающий с выхода широкополосной ПЧ, в цифровой потокотсчётов и дальнейшая обработка выполняется цифровым образом.
Основные элементыцифровой части приёмника сосредоточены в модуле цифрового приёмника. Этотмодуль производит канальную фильтрацию и демодуляцию сигнала. Модуль можетобрабатывать один или несколько каналов приёма. Основные компоненты модуля — высокочастотный АЦП, цифровой квадратурный понижающий преобразователь DDC(ихможет быть несколько) и сигнальный процессор (процессоры).
Кроме перечисленныхфункций, модуль цифрового приёмника может производить мониторинг спектравходного сигнала с помощью БПФ.
С выхода модуляинформационный поток демодулированных данных от одного или нескольких каналовпрёма поступает в вычислительную среду для дальнейшей обработки. В этувычислительную среду поступают данные и от других аналогичных приёмных модулей,которые подключены к выходу ПЧ аналоговых приёмных трактов других диапазонов.
В модуле цифровогоприёмника отсчёты с выхода АЦП обрабатываются специализированным сигнальнымпроцессором DDC (Digital Down Converter). Функции этого процессора — преобразование информативного спектра частот в область низких (нулевых) частот,квадратурная фильтрация и децимация отсчётов сигнала. По реализуемым функциям — это цифровой приёмник прямого преобразования. DDC имеет два перемножителя,генератор отсчетов SIN и COS, идентичные каналы НЧ децимирующих фильтров.Частота настройки внутреннего генератора может изменяться в диапазоне от 0 до25МГц (до половины тактовой частоты DDC). Частота среза фильтров изменяется отсотен Гц до сотен кГц. Процессор производит децимацию отсчётов сигнала длятого, чтобы скорость потока данных с выхода DDC была сообразна ширине спектравыходного сигнала.
/>
Рисунок 3
На рисунке 3 показанопреобразование спектра сигнала с выхода АЦП, производимое DDC.
Следует отметить, что навыходе DDC отношение Сигнал/Шум выше, чем на входе, из-за эффекта процессорногоусиления. Возрастание отношения Сигнал/Шум весьма значительное и составляет20-40дБ.
1.2Представление сигналов в цифровой форме
Переход от аналогового сигналак цифровому может производиться как по сигналу с выхода усилителя радио- илипромежуточной частоты (по радиосигналу), так и по сигналу после аналоговогодетектора (по видеосигналу). При этом существенное значение имеет видпараметра, подвергаемого аналого-цифровому преобразованию.
Рассмотрим вначалерадиосигнал, который можно представить в виде
/>,
где /> и /> -сигнальная и шумовая составляющие входного процесса;
/> и /> - егоамплитуда и фаза; /> - центральнаячастота спектра.
/>/> />
Спектр дискретногоцифрового сигнала.
Рисунок 4.
При известной частоте /> входной процесс столь жеполно описывается с помощью комплексной огибающей
/>,
где /> и /> - квадратурныесоставляющие комплексной огибающей.
Аналого-цифровое преобразованиепредставляет собой дискретизацию по времени и квантование по уровню, которымможет подвергаться непосредственно входной процесс />.Однако при этом спектр входного процесса должен целиком размещатьсяводнойиз спектральных зон />, где />, /> - период дискретизации. Вэтом случае спектр дискретных отсчетов процесса /> (где/>,/>) в первой спектральнойзоне /> полностью соответствуетисходному спектру, поэтому по дискретным отсчетам /> можнобез искажений восстановить непрерывный процесс />.В противном случае спектр при дискретизации искажается.
/>
Графики дискретизации иквантования сигнала.
а) отсчетнаяпоследовательность ;
б) исходный аналоговыйсигнал;
в) дискретизированныйсигнал;
г) цифровой сигнал;
д) ошибка квантования.
Рисунок 5.
Для подавления спектральныхсоставляющих исходного процесса вне спектральной зоны /> этот процесс переддискретизацией пропускают через аналоговый полосовой фильтр с высокимкоэффициентом прямоугольности. Нередко для снижения требуемого быстродействияАЦП входной процесс гетеродинируют в область частот первой спектральной зоны />. В этом случае воизбежание искажений спектра по зеркальному каналу полосовой фильтр с высокимкоэффициентом прямоугольности применяют перед гетеродинированием.
Обработку полученныхтаким образом отсчетов называют обработкoй мгновенных значений или обработкой вещественногосигнала.
В другом способе цифровойобработки аналого-цифровому преобразованию подвергают квадратурные составляющие/> и />, которые можно получитьумножением входного процесса /> на дваквадратурных гетеродинных колебания с частотой /> ипоследующей фильтрацией нижнечастотных составляющих результатов перемножения спомощью ФНЧ.
В рассматриваемом способеотсутствует необходимость применения полосового фильтра с высоким коэффициентомпрямоугольности. Однако спектр квадратурных составляющих должен целикомрасполагаться в первой спектральной зоне. Для обеспечения этого условия можетпотребоваться ФНЧ с высоким коэффициентом прямоугольности. Отсчеты квадратурныхсоставляющих можно также получить путем дискретизации входного процесса /> в моменты времени /> и />, сдвинутыеотносительнодруг друга начетверть периода колебания с частотой/>.
Обработку квадратурныхсоставляющихназывают обработкой комплексного сигнала.Обычно для такой обработкитребуется болеесложная цифроваячасть,но более простая аналоговая(полосовой фильтр с высоким коэффициентомпрямоугольности сложнее ФНЧ). При эгом иногда несколько улучшаютсяхарактеристикиобработки.
Обработка квадратурныхсоставляющих равноценна(при неучететехнической реализации)обработке амплитуды /> и фазы /> входного процесса, т. е.Амплитудно-фазовойобработке. В ряде случаев отказываютсяотиспользования информации, заключенной в амплитуде />,и обрабатывают лишь отсчеты фазы /> (фазоваяобработка). При этом отсчеты фазы часто получают путем измерения временногопромежутка между нулем (под нулем некоторого колебания понимается моментпрохождения этим колебанием нулевого уровня с производной определенного знака(например, положительной). опорного колебания и первым следующим за ним нулемвходного процесса). Таким образом удается построить наиболее простые цифровыеустройства для решения некоторых задач. Однако подобный метод обработки даетудовлетворительные результаты лишь при весьма узкополосном входном процессе ине слишком малом отношении сигнал-шум.
Перейдем теперь крассмотрению обработки видеосигнала. Здесь наиболее распространенной являетсяобработка его мгновенных значений. Однако в некоторых случаях (например, врадионавигации и в технике передачи дискретных сообщений) применяют такжефазовую обработку. Такой способ применим при относительно высоком отношениисигнал-шум на входе АЦП.
Существенное значение имеетвыбор числа уровней квантования в АЦП. При обработке аддитивной смеси сигнала иширокополосного гауссовского шума, особенно если мощность шума на входе АЦПпревышает мощность сигнала, широко применяют бинарное квантование. Онопозволяет резко упростить цифровую обработку, в частности, отказаться от АРУ изаменить АЦП более простым устройством, фиксирующим в моменты дискретизациизнак отсчета квантуемого напряжения. Однако при негауссовских помехах(например, гармонических) характеристики цифровой обработки из-за бинарногоквантования могут сильно ухудшиться, в этом случае переходят к многоуровневомуквантованию.
Многоуровневое квантование применяется также тогда,когда мощность сигнала значительно больше мощности шума, причем недопустимозаметное ухудшение отношения сигнал-шум за счет квантования.
Отметим, что в последние годы широкое распространениеполучили линии с псевдошумовыми (ПШ) сигналами. Зачастую в РПУ осуществляютаналоговую свертку ПШ сигнала, т. е. перемножение входной смеси ПШ радиосигналас помехой на опорный ПШ видеосигнал и узкополосную (по сравнению с ширинойспектра ПШ сигнала) фильтрацию результата перемножения. При свертке помехи слюбым распределением нормализуются, что позволяет использовать бинарноеквантование свернутого сигнала при любых распределениях исходной помехи.
2.Элементы цифровых РПУ
Основными элементамицифровых радиоприемных устройств можно считать, учитывая изложенное выше, такиеэлементы как цифровые фильтры, цифровые детекторы, устройства цифровойиндикации и устройства контроля и управления ЦРПУ. Рассмотрим их болееподробно.
2.1Цифровые фильтры
В общем случае в линейномстационарном цифровом фильтре k-йвыходной отсчет y(k) (в момент времени t=kΔ) линейно зависит от k-го входного отсчета x(k) и некоторогоколичества предшествующих отсчетов x(/>) (/>) (/>
/>
Числа L и M в разностном уравнении (1) называют соответственноотносительной памятью ЦФ по входу и выходу. ЦФ с памятью по входу называютсярекурсивным, а без такой памяти нерекурсивными.
Алгоритмы работыразличных ЦФ отличаются параметрами Q и M и набором коэффициентов {aℓ} и {bi}. Рассмотрим сначала реализацию нерекурсивных ЦФ, когда все bi=0 (т.е. М=0).
В этом случае разностноеуравнение (1) принимает вид:
/>
Структурная схема ЦФ,реализующая алгоритм (2) приведена на следующем рисунке: