Анализ современных цифровых радиоприемных устройств

Цифровая обработка сигналов (ЦОС) в последние годы все шире используется в радиоприемных устройствах. Прогресс в этой области вызван достижениями в микроэлектронике, позволившими создать вычислительные средства, обладающие высоким быстродействием, малыми габаритами, весом и энергопотреблением. Интерес к цифровой обработке сигналов вызван тем, что на ее основе можно создавать устройства с характеристиками, недостижимыми при использовании аналоговых методов обработки сигналов. Кроме того, применение устройств с цифровой обработкой в ряде случаев оказывается более выгодным с технической и экономической точек зрения из-за их универсальности и возможности работать в различных 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 в геологоразведке, сейсмологии, медицине и т.д. (I).

Цифровую обработку сигналов следует отличать от цифровых методов передачи сообщений, когда подлежащие передаче аналоговые сигналы преобразуются в цифровую форму уже на передающей стороне. При этом может устраняться избыточность в сообщениях для снижения скорости цифрового потока. Для повышения помехозащищенности применяется избыточное кодирование, перемежение и другие методы (2).

Цифровая обработка сигналов — это более широкое понятие, чем цифровые методы передачи сообщений. Она включает в себя, кроме описанных выше преобразований, додетекторную обработку (фильтрацию), детектирование и последетекторную обработку сигналов цифровыми методами. При этом передаваемые по каналам связи сообщения могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. Цифровая обработка сигналов может охватывать не только фильтрацию и детектирование на приемной стороне, но и формирование модулированных или манипулированных сигналов на входе канала связи цифровыми методами.

Несмотря на множество уже решенных технических задач, в области применения ЦОС существует ряд проблем, которые сдерживают широкое применение цифровой обработки в радиоприемных устройствах различного назначения. Это ограниченное быстродействие цифровой элементной базы, ограниченные разрядность и быстродействие преобразователей аналоговых сигналов в цифровые, возникающие при ЦОС дополнительные искажения и шумы, ухудшение массогабаритных, энергетических и экономических характеристик устройств ЦОС по сравнению с аналоговыми, недостаточно разработанные теоретические вопросы и методы расчета элементов и устройств ЦОС с заданными качественными показателями. Эти проблемы связаны как с отсутствием требуемой элементной базы, так и со сложностью происходящих в устройствах ЦОС процессов, математическое описание которых во временной и спектральной областях оказывается гораздо более сложным, чем в аналоговых устройствах. Вместе с тем цифровая обработка сигналов, несмотря на указанные недостатки, имеет ряд преимуществ перед аналоговой обработкой:

значительно более высокую точность обработки сигналов по сложным алгоритмам;

гибкую оперативную перестройку алгоритмов обработки сигналов, обеспечивающую как создание многорежимных устройств, так и реализацию адаптивных систем;

высокую технологичность изготовления устройств ЦОС, связанную с отсутствием необходимости настройки при изготовлении и регулировки при эксплуатации;

высокую степень совпадения и повторяемости характеристик реализованных устройств с расчетными характеристиками;

возможность построения развивающихся интеллектуальных систем, способных к реконфигурации, поиску и обнаружению неисправностей;

большие возможности автоматизации проектирования устройств с ЦОС;

высокостабильные эксплуатационные характеристики устройств с ЦОС.

Эти преимущества позволяют применять цифровую обработку сигналов во многих радиоприемных устройствах.

В данной работе будут проанализированы различные схемы цифровых РПУ и сделаны выводы об их преимуществах, и применении в современной авиационной радиоэлектронной аппаратуре.

1.Обзор современных схем построения ЦРПУ

1.1 Схемы построения цифровых РПУ

Обобщенная схема цифрового радиоприемного устройства представлена на рисунке 1.

Рисунок 1

Развитие техники и технологии цифровых интегральных схем привело к тому, что заключительное смешивание и фильтрация, осуществляемые в каскадах ПЧ, могут производиться уже в цифровой области. В приемниках с цифровой ПЧ происходит оцифровывание непосредственно сигнала ПЧ. В качестве ПЧ гетеродина используется прямой цифровой синтезатор частот ПЦС называемый иногда генератором с цифровым (программным) управлением. Это устройство реализовано полностью с использованием цифровой техники и выполняется в виде специализированной интегральной схемы. Генератор формирует цифровые выборки двух синусоид с точным сдвигом по фазе на 90 градусов

Важным является то, что интенсивность формирования выходных выборок синусоиды всегда определяется опорной частотой, независимо от номинала генерируемой частоты. Номинал выходной частоты устанавливается путем изменения величины приращения фазы на выборку. Малое приращение фазы на выборку соответствует низким частотам, большое приращение - высоким частотам. Величина приращения фазы на выборку прямо пропорциональна выходной частоте и программируется в диапазоне от 0 до. Важным компонентом такого приемника является цифровой смеситель, фактически состоящий из двух цифровых перемножителей. Цифровые выборки входного сигнала от АЦП математически перемножаются с цифровыми выборками синуса и косинуса, поступающими с выхода цифрового гетеродина. В отличие от аналоговых смесителей, которые создают также много нежелательных компонент на выходе смесителя, цифровые смесители являются практически идеальными устройствами и производят только два выходных сигнала суммарной и разностной частот.

Опорный сигнал АЦП подается на гетеродин ПЦС. Цифровые выборки синусоиды с выхода гетеродина определяются опорной частотой, и генерируются со скоростью, равной частоте выборки АЦП, будучи синхронизированными одним опорным сигналом . Использование цифровой ПЧ кроме всего прочего позволяет избежать проявления разбаланса каналов I и Q, что приводит к хорошему подавлению зеркального канала. Эта архитектура, однако, требует применения быстродействующего АЦП, а это влечет за собой 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 (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC).

Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.

АЦП позволяет перейти от аналогового к цифровому представлению сигнала для дальнейшего его анализа в схеме цифровой обработки сигнала.

Для корректной работы АЦП в канале также присутствуют ещё два устройства.МШУ — малошумящий усилитель поднимает амплитуду сигнала до требуемого уровня для дальнейшей оцифровки.Устройство защиты приёмника — в простейшем случае — обычный разрядник не позволяющий перегрузить приёмный канал высоким уровнем сигнала (помехи).

На рисунке 2 изображена структурная схема одного канала современного приёмного многоканального комплекса, в котором использованы современные технические решения в области цифровой обработки радиосигнала на ПЧ.

Рисунок 2

АЦП преобразует аналоговый сигнал, поступающий с выхода широкополосной ПЧ, в цифровой поток отсчётов и дальнейшая обработка выполняется цифровым образом.

Основные элементы цифровой части приёмника сосредоточены в модуле цифрового приёмника. Этот модуль производит канальную фильтрацию и демодуляцию сигнала. Модуль может обрабатывать один или несколько каналов приёма. Основные компоненты модуля - высокочастотный АЦП, цифровой квадратурный понижающий преобразователь DDC(их может быть несколько) и сигнальный процессор (процессоры).

Кроме перечисленных функций, модуль цифрового приёмника может производить мониторинг спектра входного сигнала с помощью БПФ.

С выхода модуля информационный поток демодулированных данных от одного или нескольких каналов прёма поступает в вычислительную среду для дальнейшей обработки. В эту вычислительную среду поступают данные и от других аналогичных приёмных модулей, которые подключены к выходу ПЧ аналоговых приёмных трактов других диапазонов.

В модуле цифрового приёмника отсчёты с выхода АЦП обрабатываются специализированным сигнальным процессором 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 до 25МГц (до половины тактовой частоты DDC). Частота среза фильтров изменяется от сотен Гц до сотен кГц. Процессор производит децимацию отсчётов сигнала для того, чтобы скорость потока данных с выхода DDC была сообразна ширине спектра выходного сигнала.

Рисунок 3

На рисунке 3 показано преобразование спектра сигнала с выхода АЦП, производимое DDC.

Следует отметить, что на выходе DDC отношение Сигнал/Шум выше, чем на входе, из-за эффекта процессорного усиления. Возрастание отношения Сигнал/Шум весьма значительное и составляет 20-40дБ.

1.2 Представление сигналов в цифровой форме

Переход от аналогового сигнала к цифровому может производиться как по сигналу с выхода усилителя радио- или промежуточной частоты (по радиосигналу), так и по сигналу после аналогового детектора (по видеосигналу). При этом существенное значение имеет вид параметра, подвергаемого аналого-цифровому преобразованию.

Рассмотрим вначале радиосигнал, который можно представить в виде

,

где и - сигнальная и шумовая составляющие входного процесса;

и - его амплитуда и фаза; - центральная частота спектра.

Спектр дискретного цифрового сигнала.

Рисунок 4.

При известной частоте входной процесс столь же полно описывается с помощью комплексной огибающей

,

где и - квадратурные составляющие комплексной огибающей.

Аналого-цифровое преобразование представляет собой дискретизацию по времени и квантование по уровню, которым может подвергаться непосредственно входной процесс . Однако при этом спектр входного процесса должен целиком размещатьсяв однойиз спектральных зон , где , - период дискретизации. В этом случае спектр дискретных отсчетов процесса (где ,) в первой спектральной зоне полностью соответствует исходному спектру, поэтому по дискретным отсчетам можно без искажений восстановить непрерывный процесс . В противном случае спектр при дискретизации искажается.

Графики дискретизации и квантования сигнала.

а) отсчетная последовательность ;

б) исходный аналоговый сигнал;

в) дискретизированный сигнал;

г) цифровой сигнал;

д) ошибка квантования.

Рисунок 5.

Для подавления спектральных составляющих исходного процесса вне спектральной зоны этот процесс перед дискретизацией пропускают через аналоговый полосовой фильтр с высоким коэффициентом прямоугольности. Нередко для снижения требуемого быстродействия АЦП входной процесс гетеродинируют в область частот первой спектральной зоны . В этом случае во избежание искажений спектра по зеркальному каналу полосовой фильтр с высоким коэффициентом прямоугольности применяют перед гетеродинированием.

Обработку полученных таким образом отсчетов называют обработкoй мгновенных значений или обработкой вещественного сигнала.

В другом способе цифровой обработки аналого-цифровому преобразованию подвергают квадратурные составляющие и , которые можно получить умножением входного процесса на два квадратурных гетеродинных колебания с частотой и последующей фильтрацией нижнечастотных составляющих результатов перемножения с помощью ФНЧ.

В рассматриваемом способе отсутствует необходимость применения полосового фильтра с высоким коэффициентом прямоугольности. Однако спектр квадратурных составляющих должен целиком располагаться в первой спектральной зоне. Для обеспечения этого условия может потребоваться ФНЧ с высоким коэффициентом прямоугольности. Отсчеты квадратурных составляющих можно также получить путем дискретизации входного процесса в моменты времени и , сдвинутыеотносительно друг друга начетверть периода колебания с частотой.

Обработку квадратурных составляющихназывают обработкой комплексногосигнала. Обычно для такой обработкитребуется болеесложная цифроваячасть, но более простая аналоговая(полосовой фильтр с высоким коэффициентом прямоугольности сложнее ФНЧ). При эгом иногда несколько улучшаются характеристикиобработки.

Обработка квадратурных составляющих равноценна(при неучететехнической реализации) обработке амплитуды и фазы входного процесса, т. е. Амплитудно-фазовойобработке. В ряде случаев отказываютсяот использования информации, заключенной в амплитуде , и обрабатывают лишь отсчеты фазы (фазовая обработка). При этом отсчеты фазы часто получают путем измерения временного промежутка между нулем (под нулем некоторого колебания понимается момент прохождения этим колебанием нулевого уровня с производной определенного знака (например, положительной). опорного колебания и первым следующим за ним нулем входного процесса). Таким образом удается построить наиболее простые цифровые устройства для решения некоторых задач. Однако подобный метод обработки дает удовлетворительные результаты лишь при весьма узкополосном входном процессе и не слишком малом отношении сигнал-шум.

Перейдем теперь к рассмотрению обработки видеосигнала. Здесь наиболее распространенной является обработка его мгновенных значений. Однако в некоторых случаях (например, в радионавигации и в технике передачи дискретных сообщений) применяют также фазовую обработку. Такой способ применим при относительно высоком отношении сигнал-шум на входе АЦП.

Существенное значение имеет выбор числа уровней квантования в АЦП. При обработке аддитивной смеси сигнала и широкополосного гауссовского шума, особенно если мощность шума на входе АЦП превышает мощность сигнала, широко применяют бинарное квантование. Оно позволяет резко упростить цифровую обработку, в частности, отказаться от АРУ и заменить АЦП более простым устройством, фиксирующим в моменты дискретизации знак отсчета квантуемого напряжения. Однако при негауссовских помехах (например, гармонических) характеристики цифровой обработки из-за бинарного квантования могут сильно ухудшиться, в этом случае переходят к многоуровневому квантованию.

Многоуровневое квантование применяется также тогда, когда мощность сигнала значительно больше мощности шума, причем недопустимо заметное ухудшение отношения сигнал-шум за счет квантования.

Отметим, что в последние годы широкое распространение получили линии с псевдошумовыми (ПШ) сигналами. Зачастую в РПУ осуществляют аналоговую свертку ПШ сигнала, т. е. перемножение входной смеси ПШ радиосигнала с помехой на опорный ПШ видеосигнал и узкополосную (по сравнению с шириной спектра ПШ сигнала) фильтрацию результата перемножения. При свертке помехи с любым распределением нормализуются, что позволяет использовать бинарное квантование свернутого сигнала при любых распределениях исходной помехи.

2. Элементы цифровых РПУ

Основными элементами цифровых радиоприемных устройств можно считать, учитывая изложенное выше, такие элементы как цифровые фильтры, цифровые детекторы, устройства цифровой индикации и устройства контроля и управления ЦРПУ. Рассмотрим их более подробно.

2.1 Цифровые фильтры

В общем случае в линейном стационарном цифровом фильтре k-й выходной отсчет y(k) (в момент времени t=kΔ) линейно зависит от k-го входного отсчета x(k) и некоторого количества предшествующих отсчетов x() () (

Числа L и M в разностном уравнении (1) называют соответственно относительной памятью ЦФ по входу и выходу. ЦФ с памятью по входу называются рекурсивным, а без такой памяти нерекурсивными.

Алгоритмы работы различных ЦФ отличаются параметрами Q и M и набором коэффициентов {a_ℓ} и {bi}. Рассмотрим сначала реализацию нерекурсивных ЦФ, когда все b_i=0 (т.е. М=0).

В этом случае разностное уравнение (1) принимает вид:

Структурная схема ЦФ, реализующая алгоритм (2) приведена на следующем рисунке: