3.3. Устройства дискретизации аналоговых сигналов

Для обеспечения работы цифровых устройств обработки необходимо, как отмечалось выше, преобразовать аналоговый сигнал в цифровую форму. Эта процедура в большинстве случаев включает три самостоятельных операции: дискретизацию, квантование и кодирование.

Дискретизация аналогового сигнала U(t) состоит в измерении (отсчете) его значений в дискретные моменты времени, отстоящие друг от друга на интервал Т_Д, называемый периодом дискретизации. В результате сигнал U(t) преобразуется в последовательность значений {U(t_п)} в моменты времени t_п= nT_Д, n=0,1,2...

Квантование - это преобразование аналоговых значений сигнала в дискретную форму U_кв(t_п) путем дискретизации сигналов по амплитуде (по фазе).

После квантования сигнал кодируется. Чаще всего операции квантования и кодирования совмещаются и выполняются в АЦП.

Устройство дискретизации в простейшем случае представляет собой стробируемый каскад (ключ), открывающийся на время τ_д с периодом Т_Д, удовлетворяющим условию

, (3.1)

где f_макс - максимальная (граничная) частота в спектре входного сигнала.

Максимальный интервал временной дискретизации определяется в соответствии с теоремой Котельникова.

При внутрипериодной цифровой обработке (фильтрации) сигнала дискретизацию целесообразно выполнять на видеочастоте, искомый интервал должен быть обратно пропорционален ширине спектра модуляции зондирующего сигнала

.

Это условие выполняется при t_д < Т_Д и его реализация в случае использования простейшего дискретизатора связана с необходимостью существенного увеличения быстродействия АЦП и широкополосности устройств формирования импульсов дискретизации.

Требование к быстродействию АЦП можно снизить, если между дискретизатором и АЦП включить устройство фиксации выходного напряжения ключа (например, конденсатор). Однако требование к широкополосности устройства формирования импульсов дискретизации сохраняется. Поэтому на практике в качестве дискретизатора чаще всего используется схема слежения и запоминание входных сигналов, показанная на рис.3.1.

В этой схеме ключ, выполненный на МОП-транзисторе, подаются импульсы дискретизации (управления) с длительностью τ_д соизмеримой с Т_Д (обычно τ_д ≈ Т_Д/2). На конденсаторе С запоминается значение входного сигнала, соответствующее моменту окончания импульса управления, на время, равное Т_Д - τ_д.

Рис.3.1. Схема слежения и запоминания входных сигналов

Спектр дискретизированного сигнала является периодическим и представляет собой последовательность спектров входного сигнала, сдвинутых один относительно другого на величину F_Д = 1/Т_Д.

Если период дискретизации удовлетворяет условию теоремы Котельникова (см. формулу 3.1), то спектры не перекрываются и могут быть разделены с помощью фильтров. Если же Т_Д > 1/ (2f_макс), то имеет место наложение спектров, что вызывает искажение сигналов. Для уменьшения этого эффекта перед дискретизатором устанавливается полосовой фильтр (или ФНЧ) с полосой пропускания П_ф ≈ F_Д.

Период (частота) дискретизации является важнейшим параметром цифровых устройств обработки. Чем меньше Т_Д, тем меньше вероятность пропуска цели, но тем на большее число участков делится диапазон дальностей, что требует увеличение числа каналов обработки. Кроме того, при Т_Д < τ_и один и тот же сигнал попадает в два или более соседних канала дальности, что вызывает эффект "дробления" сигнала, связанный с появлением ложных целей.

Если же Т_Д > τ_и, то вероятность обнаружения целей уменьшается. Ухудшается также разрешающая способность по дальности и увеличивается ошибка измерения дальности.

Наиболее приемлемым считается значение Т_Д ≈ τ_и полезного сигнала (но несколько меньше).

Величину τ_д обычно выбирают так, чтобы за время τ_д изменение входного сигнала не превышало допустимой величины ΔU, т.е.

, (3.2)

Таким образом, принцип работы устройств дискретизации заключается в измерении (отсчете) значений аналогового сигнала U(t) в дискретные моменты времени, отстоящие друг от друга на интервал Т_Д, называемый периодом дискретизации. В простейшем случае такие устройства представляет собой стробируемый каскад (ключ), открывающийся на время τ_д с периодом Т_Д, удовлетворяющим условию Т_Д ≤ 1/(2f_макс). Максимальный интервал временной дискретизации определяется в соответствии с теоремой Котельникова и возможностью реализации таких устройств.