Радиоприемные устройства

6.6. Особенности построения профессиональных приемников

Рис. 134. Структурная схема ЛУПЧ с последовательным суммированием

Амплитудная характеристика ЛУПЧ в диапазоне входных воздействий имеет вид кусочно-линейной аппроксимации. Точки перелома линий обусловлены поочередным вхождением усилительного каскада, начиная с последнего, в режим ограничения (рис. 135).

Рис. 135. Амплитудная характеристика логарифмического УПЧ

Погрешность логарифмирования ЛУПЧ δ, % зависит от линейного усиления каждого каскада К0 определяется зависимостью (рис. 136).

δ, %

10

5

Рис. 136. Зависимость ошибки логарифмирования от линейного усиления одного каскада

-191-

ГЛАВА 6. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

Выбор числа каскадов (n) определяется динамическим диапазоном на входе ДВХ и рассчитанным коэффициентом усиления одного каскада К0 и заданным динамическим диапазоном на выходе (рис. 137).

ДВЫХ, дБ

Рис. 137. Зависимость выходного динамического диапазона

ичисла каскадов ЛУПЧ от диапазона логарифмирования

илинейного усиления одного каскада

Коэффициент усиления ЛУПЧ в линейном режиме (без ограничения) определяется выражением:

K0(n) = (K0)n KД KΣ,

где KД — коэффициент передачи детектора; KΣ — коэффициент передачи цепи суммирования.

На практике, ввиду невозможности обеспечения идентичности усиления каждого каскада, требуется его корректировка цепями сумматора.

Необходимо учитывать время задержки сигналов, что сказывается на форме сигнала на выходе сумматора.

Верхняя частота усилителя-ограничителя в линейном режиме (без ограничения радиосигнала) должна быть в 2–3 раза больше величины промежуточной частоты. Более подробно, об особенностях проектирования ЛУПЧ, изложено в литературе [48].

-192-

6.6. Особенности построения профессиональных приемников

?Контрольные вопросы

1.Каковы особенности построения структурной схемы радиовещательных приемников АМ и ЧМ сигналов?

2.Как меняется отношение сигнал/шум на выходе приемника АМ-сигналов и почему?

3.Как меняется отношение сигнал/шум на выходе приемника УКВ — ЧМ-сигналов и почему?

4.Каковы особенности построения радиоприемников стереофонического УКВ — ЧМ-вещания и от каких параметров зависит величина переходного затухания?

5.Каковы отличия тональной и надтональной части спектра систем стереофонического вещания сигнала с КСС и сигнала с пилот-тоном?

6.Каковы особенности построения структурной схемы отечественного аналогового приемника телевизионного вещания?

7.Каковы особенности построения структурных схем радиоимпульсных локационных приемников обнаружения сигналов и измерения параметров движении цели?

8.Каковы особенности построения структурной схемы приемника сигналов однополосной амплитудной модуляцией?

9.Чем отличается радиоприемник с частичным подавлением от приемника полным подавлением несущей сигнала?

10.Каковы особенности работы приемников радиолокационных станций обнаружения сигналов и измерения параметров цели?

11.Каковы особенности построения панорамных приемников последовательного анализа?

12.Каковы особенности построения панорамных приемников параллельного анализа?

-193-

глава 7. ОСОБеННОСТИ ПОСТРОеНИЯ ПРИеМНИКОв С ЦИФРОвОЙ ОБРаБОТКОЙ СИгНалОв

7.1. ОБЩИе СвеДеНИЯ ЦОС в РаДИОПРИеМНЫХ УСТРОЙСТваХ

Цифровая обработка сигналов (ЦОС) в радиоприемниках отличается от цифровых методов передачи сообщений, когда цифровая форма передаваемых сообщений уже формируется на передающей части радиосистемы. Применительно к приемникам ЦОС не требует введения в цифровой поток избыточности сигнала за счет кодирования, перемежения и других методов повышения помехозащищенности. Приемники с ЦОС осуществляют фильтрацию, преобразование частоты, детектирование и последетекторную обработку сигнала цифровыми методами. Принимаемый сигнал может быть представлен как в аналоговом, так и в цифровом виде. Несмотря на ограничения по быстродействию, описанию процессов обработки и сложностью элементной базы, ЦОС имеет преимущества перед аналоговой обработкой: высокая точность воспроизведения сигналов, гибкая система перестройки алгоритмов обработки; высокая технологичность и повторяемость технических параметров; проведение диагностических операций по выявлению неисправностей; стабильные эксплуатационные характеристики.

Процессы ЦОС состоит из нескольких этапов (рис. 138).

Схема ЦОС содержит аналоговый фильтр (АФ), устройство выбор- ки-хранения (УВХ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровое вычислительное устройство (ЦВУ), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и аналоговый интерполяционный фильтр (АИФ). Из всего процесса следует выделить этапы дискретизации и квантования

-194-

7.2. Требования к элементам приемников цифровых сигналов

по уровню и кодированию. Операцию дискретизации выполняет УВХ, определяющее мгновенное значение аналогового входного сигнала x(t). Фиксация сигнала выборки W(t) во времени хв(t) для его преобразования в число хвх(t). В зависимости от режима хранения подразделяют на следящие и интегрирующие. В следящем УВХ безынерционно к сигналу хв(t) во время выборки tв и неизменно во время хранения tхр. Перед импульсом выборки устройство хранения (Хр) обнуляется (рис. 139) [38].

Рис. 139. Процесс преобразования сигналов при цифровой обработке

В интегрирующем УВХ устройство Хр интегрирует входной сигнал за время выборки tв и хранит без изменения результат интегрирования в течение времени хранения tхр. Обнуление УВХ производится так же, как и в следящем режиме. Процесс преобразования в АЦП проводится в три этапа: квантование КВ в сигнал хк.вх(t), преобразование (ПР) в код и занесение кода в регистр (РГ) сигнала х(n) (рис. 139) [38].

7.2. ТРеБОваНИЯ К ЭлеМеНТаМ ПРИеМНИКОв ЦИФРОвЫХ СИгНалОв

Для ЦОС в реальном масштабе времени используются специализированные быстродействующие микропроцессоры (МП), в состав которых входят АЦП и ЦАП. Микропроцессоры определяют разрядность АЦП, ЦАП и регистров процессора, их аппаратные затраты и качественные показатели. При практической реализации цифровых фильтров (ЦФ) требуются значительные вычислительные мощности для

-195-

ГЛАВА 7. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ПРИЕМНИКОВ...

сравнительной оценки отношения сигнал/шум на выходе АФ (gа) и ЦФ (gц) (рис. 140).

Отношение сигнал/шум на выходе аналогового и цифрового фильтров:

γа = 2UUС Ш ВЫХ.а ; γа = 2UUС Ш ВЫХ.ц.

Рис. 140. Процесс фильтрации сигналов в АФ (а), МП (б) и комбинированным (в) методами

При условии, что МП не вносит шумы (рис. 140, б), то отношение сигнал/шум на выходе ЦАП gц (рис. 140, в) будет меньше, чем после АФ

(рис. 140, а), а выигрыш составит β = γа >1. Поскольку шумы кванто-

γц

вания не коррелированы с входным флуктуационным шумом, то дисперсии Дшкв и шума Дш на выходе ЦФ суммируются, а значит, выигрыш составит:

где Pс = Kпф-2 — мощность нормированного сигнала; Kпф — пик-фактор сигнала (отношение максимального напряжения к его эффективному значению). Для гармонического сигнала пик-фактор составляет

Kпф =(1/2).

Дисперсия шума квантования определяется выражением:

Дшкв = 3S12 ,

где S = 2p – 1 — число уровней квантования; p — число двоичных разрядов АЦП и ЦАП.

-196-

7.2. Требования к элементам приемников цифровых сигналов

Подставив в (7.1), получим разрядность АЦП и ЦАП без учета реальной АЧХ фильтра:

Форма АЧХ фильтра и избирательные свойства приемника влияют на разрядность АЦП, поэтому [38]:

резонансный коэффициент передачи по напряжению; Kсос — коэффициент передачи по напряжению по соседнему каналу.

Поскольку gаmin << σ, то разрядность АЦП:

Разрядность АЦП возрастает с увеличением требований по избирательности. Например, при σ = 1 000, Kпф = 3, b = 1,1 число разрядов

будет рАЦП = 12 [38].

При использовании рекурсивных цифровых фильтров коэффициент передачи звеньев больше единицы, что ведет к переполнению разрядности процессора. В этом случае используют масштабирование входных чисел:

Mp Kp1max,

где Kp max — максимальное значение коэффициента передачи рекурсивных звеньев.

Для того чтобы при масштабировании чисел АЦП информация о сигнале не исчезала, необходимо чтобы число в регистрах вычислителя было не менее pRG = pАЦП + 1 + n. Единица учитывает знаковый разряд АЦП. Число n растет при увеличении добротности входящих в ЦФ рекурсивных фильтров. Для уменьшения разрядности регистров, сумматоров и перемножителей используют менее добротные рекурсивные звенья.

-197-

ГЛАВА 7. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ПРИЕМНИКОВ...

7.3. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЦИФРОВЫХ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

Устройства ЦОС в приемниках состоят из элементов, реализующих различные алгоритмы обработки. К ним относятся: фильтры, преобразователи Гильберта, амплитудные ограничители, преобразователи частоты, детекторы и др. Для описания свойств элементов приемников используется аппарат Z-преобразования, позволяющий перейти от разностных уравнений к алгебраическим, поэтому вводится понятие передаточных функций H(z), определяемых выход Y(z) и вход X(z)

отношением H(z)= YX((zz)). Цифровые фильтры являются нелинейными

элементами из-за ограничений разрядности чисел и возникающих в них шумов квантования.

7.3.1. Цифровые фильтры

По технической реализуемости фильтры различают: нерекурсивные (без обратных связей) и рекурсивные (с обратными связями). Рекурсивные цифровые фильтры (РЦФ) выполняются в прямой (а) и канонической форме (рис. 141, б). В случае если коэффициенты Аm равны нулю, то схема вырождается в вид нерекурсивного фильтра (рис. 141, а).

Рис. 141. Структурные схемы цифровых фильтров

Нерекурсивные фильтры (НРЦФ) описываются уравнением:

m=0

-198-

7.3. Основные элементы цифровых радиоприемных устройств

где x(n) и y(n) — цифровые входной и выходной сигналы; Bm — коэффициенты; n — номер отсчета; M1 — порядок фильтра.

Для определения комплексного коэффициента передачи произведем замену z = ejωTД = ejΘ и пронумеруем к частоте дискретизации входного сигнала комплексный коэффициент передачи нерекурсивного фильтра:

m=0

M1

В тригонометрической форме ejΘ =cosmΘ− j∑Bm sinmΘ коэффици-

m=0

ент передачи цифрового фильтра будет:

Амплитудночастотная характеристика фильтра:

Фазочастотная характеристика фильтра:

Практический интерес представляют нерекурсивные фильтры с симметричными коэффициентами или антисимметричные относительно середины линии задержки [38].

Рекурсивные фильтры (РЦФ). Системная передаточная функция РЦФ второго порядка описывается (рис. 142, а):

где z1 = R e− jΘ0 , z1* = R ejΘ0 — комплексно-сопряженные полюса функции РЦФ в полярных координатах; R — расстояние от начала координат до полюса в z-плоскости; Θ0 = 2πF0 / Fд — нормированная частота резонанса F0 к частоте дискретизации Fд.

-199-

Рис. 142. Структурная схема рекурсивного цифрового фильтра

на резонансной частоте Θ0.

Зная R и Θ0 по (7.8), определяют A1 и A2 РЦФ [38].

7.3.2. Преобразователь Гильберта

Преобразователь Гильберта (ПГ) создает фазовый сдвиг между составляющими спектра выходных сигналов, равный π / 2 для получения комплексного сигнала:

где jx(n) — сопряженный по Гильберту цифровой сигнал от сигнала x(n).

-200-