книги из ГПНТБ / Машбиц Л.М. Цифровая обработка сигналов в радиотелеграфной связи

2. iBo всем рабочем -диапазоне частот знак производной стати­ ческой характеристики ЦЧД — МУ = ср(-Д/) —остается неизменным.

3. Изменением коэффициентов деления т и п (или одного из

ласть применения ЦЧД, как замена весьма громоздких схем авто­ поиска, в системах ФАПЧ.

Недостатком ЦЧД по сравнению с обычными ЧД является не­ обходимость применения эталона частоты /о. однако в ряде слу­ чаев этот недостаток не является существенным, поскольку в си­ стеме в целом применение эталона является неизбежным (напри­ мер, в синтезаторах точных частот).

На рис. 2.23 дана функциональная схема системы частотной автоподстройки ( Ч А П ) , выполненной на базе ЦЧД. При этом схе­ ма ЦЧД модифицирована таким образом, чтобы получить не ус-

ЛОБНЫЙ, а абсолютный нуль на выходе («подвешенный выход»).. В схеме рис. 2.23 на базе эталонного сигнала /0 формируются два

•Из «ременных диаграмм, иллюстрирующих работу этой схемы (рис. 2.24 и 2.25), видно, что наличие периодической .последова­ тельности импульсных сигналов на выходе ячейки И 4 или 6 опре­ деляется знаком расстройки действительного значения частоты УГ относительно установленного .номинала, а число импульсов в каж­ дом цикле определяется величиной (модулем) этой расстройки. При помощи дифференциального усилителя и ФН'Ч 7 импульсные последовательности с выходов ячеек И 4 и 6 преобразуются в пос-

50

тоянное напряжение Ua, величина и знак 'которого определяются текущим значением расстройки частоты УГ относительно «оминала.

"Устройство, •выполненное по схеме рис. 2.23, обеспечивало под-

Для М / н о м

Старгг

Стоп

6)

<jj "парт

4

щ

<пр акти чески н едостижи мо.

2.3. ЦИФРОВЫЕ Ф И Л Ь Т Р Ы

2 . 3 . 1 . ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМ Ч А С Т О Т Н О Й

Вопросы построения систем, обладающих свойствами частотной селекции, «а основе дискретных логических цепей привлекают к себе внимание исследователей и разработчиков по двум причинам:

—получение определейных значений ряда параметров фильт­ ра (крутизна скатов частотной характеристики, линейность фазо­ вой характеристики, стабильность характеристик во времени и др.)

иего свойств (например, быстрая перестройка фильтра), которые сравнительно легко реализуются в системах частотной селекции, выполненных на основе дискретных логических элементе::, для не­ прерывных (аналоговых) фильтров является труднодостижимым,, либо вообще нереализуемым;

—современная (интегральная) технология изготовления ком­ понентов электронных схем более совместима с решениями, осно­ ванными на применении дискретных элементов, чем с решениями, основанными на применении аналоговых.

Что же касается путей реализации систем частотной селекции на дискретных логических элементах то проводимые в этом нап­ равлении работы имеют два четко выраженных направления:

— создание селективных систем, обладающих линейными (ква­ зилинейны ми) а мплитудны ми хар актеристиками;

— создание нелинейных систем, обладающих свойствами ча­ стотной селекции.

В литературе [64—72 и др.] для обозначения устройств первого направления в большей части работ употребляется термин «циф­ ровой фильтр» ( Ц Ф ) , а устройств второго направления — «нели­ нейный .цифровой фильтр» ( Н Ц Ф ) , «числовой фильтр» или «дис­ кретный фильтр». 'Не пытаясь здесь установить какие-либо логи­ ческие обоснования (или искать опровержения) правомерности этих терминов, будем пользоваться первыми двумя терминами, как наиболее употребительными.

Для решения задач построения радиотелеграфного тракта в си­ лу нелинейного характера самих задач и по ряду других обстоя­ тельств, которые будут рассмотрены ниже подробно, больший .ин­ терес представляет второе из указанных двух направлений. По этой причине, а также учитывая, что вопросы, связанные с расче­ том и проектированием линейных селективных систем (цифровых фильтров), подробно рассматриваются в ряде специальных работ [64, 69, 71, 72], ниже дано только краткое изложение принципов построения линейных систем и указаны их основные достоинства и недостатки, а вопросы построения нелинейных систем рассмотре­ ны более подробно.

52

Таким образом, если не учитывать искажений, определяемых конечными возможностями вычислителя и преобразователей, то по входу и выходу цифровой фильтр может быть сделан идентичным

где п— номер пробы (выборки) входного сигнала; г — число ум­ ножителей в цепи входного сигнала; m — число умножителей в це­ пи выходного сигнала; и Ki— весовые коэффициенты умножи­ телей в цепях входного и выходного (Сигналов соответственно.

Схемная реализация ур-ния (2.16) дана .на рис. 2.266, где ин­ дексом Т обозначены элементы единичной задержки (задержка числа на один такт).

•Из ур-ния (2.16) и схемы рис. 2.166 следует, что вычислитель -определяет текущее значение выходного сигнала у(пТ) путем сум­ мирования текущего значения входного сигнала х(пТ), умножен­ ного на весовой коэффициент L0 с некоторым количеством преды­ дущих значений входного и выходного сигналов, .каждое из кото­ рых предварительно умножается на соответствующий весовой ко­ эффициент L( или Ki. Таким образом, расчет цифровых фильтров сводится к определению весовых коэффициентов и Ki, необхо­ димых для обеспечения заданных характеристик фильтра.

Рис. 2.27. Варианты структурных решений вычислителя линейного цифрового фильтра

54

На рис. 2.27 приведены .некоторые частные .варианты построе­ ния схем (вычислителей. (Вычислитель по схеме 2.27а определяет текущее значение выходного сигнала .как среднее арифметическое текущего и трех предыдущих значений входного сигнала. Схема такого типа (все коэффициенты Кг (равны нулю) называются нере­ курсивными. Схема рис. 2.276 относится .к рекурсивным, поскольку она имеет неравные нулю -коэффициенты и /С,-. В свою очередь,, рекурсивные схемы могут выполняться по прямой форме \(рис. 2.276) или по канонической (рис. 2.27в). Каноническая схема по­ строения вычислителя предусматривает применение двух сумма­ торов, но требует при этом вдвое меньшего объема памяти (числа элементов задержки), что в -конечном счете дает существенную экономию.

iHa рис. 2.-28 приведена графическая иллюстрация процесса об­ работки синусоидального входного сигнала .при помощи цифрового:

Рис. 2.28. Обработка синусоидального сигнала в простейшем рекурсивном циф­ ровом фильтре

фильтра, вычислитель «опорото выполнен по схеме рис. 2.276. Из приведенной иллюстрации видно, что сигнал на выходе фильтра имеет ту же амплитуду, что и на входе, и сдвинут пофазе на угол я/2, т. е. цифровой фильтр со структурой вычислителя по схеме рис. 2.276 является интегратором входного .сигнала.

55

Литейные цифровые фильтры обладают чрезвычайно большим разнообразием технических возможностей. Тайне фильтры позво­ ляют формировать характеристики коэффициента передачи, согла­ сованные .по элементарной посылке (отрезку синусоидального на­ пряжения), согласованные по кодовой комбинации, линейно-фазо­ вые характеристики. Они успешно .применяются для генерирова­ ния однополосных сигналов, .сигналов специальной формы ;и пр.

К недостаткам линейных цифровых фильтров можно отнести ограниченный диапазон частот при работе в реальном масштабе времени ') (ориентировочно — на четыре порядка ниже .предельной частоты применяемых .топических элементов [72]) и относительную сложность конструкции. Линейный 'цифровой фильтр общего (наз­ начения, но существу, представляет собой специализированную ЭВМ с объемом памяти порядка 200 двенадцатиразрядных слов [67] и соответствующими входными и выходными устройствами.

Эти недостатки не являются, однако, препятствием для приме­ нения принципов линейной цифровой фильтрации при решении ря­ да частных задач построения радиотелеграфного тракта, в том числе весьма сложных (например, цифровое решение всей линей­ ной части кв приемника [73]).

2.3.3. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЦИФРОВЫЕ ФИЛЬТРЫ

Принцип действия и количественные соотношения при постоянной частоте сигнала

Определение нелинейного устройства, выполненного на дискрет­ ных логических элементах -и обладающего свойствами частотной селекции,—.нелинейного цифрового фильтра 1(НЦФ)—получает­ ся более строгим не в частотной, а во временной области. По сути дела, Н1ДФ -представляет собой логическую цепь, отклик которой на входной сигнал может принимать только два значения: «1», если длительность текущего периода входного сигнала находится в определенных, обусловленных параметрами этой цепи, границах, и «0», если длительность текущего периода входного сигнала вы­ ходит за пределы этих границ.

При построении таких логических цепей используется принцип выделения периода заданной длительности [74]. Суть этого прин­ ципа поясняется временными диаграммами рис. 2.29.

Из входного сигнала (рис. 2.29а) после предварительного огра­ ничения (рис. 2.296) и дифференцирования формируются импуль­ сы-подставки (рис. 2.29s) длительностью тп . Импульсы-подставки, в свою очередь, дифференцируются, и из 'полученного напряжения формируются управляющие сигналы (рис. 2.29г), которые во вре-

*) Понятие «работа в реальном масштабе времени» означает, что время вы­ полнения программы вычислений для получения каждого очередного значения вы­ ходного сигнала у(пТ) меньше интервала выборки 7 , = 1/,/т.

56

мен'И совпадают с окончанием импульсов-подставок. Получив оче­ редной управляющий сигнал, счетчик импульсов сбрасывает на­ копленные к этому моменту показания и начинает счет импульсов; (рис. 2.29е), сформированных из напряжения вспомогательного (опорного) генератора (рис. 2.29d), частота которого равна /. От­ считав я импульсов (рис. 2.29<з), счетчик выдает выходной сигнал­

ист г

Рис. 2.29. Временные диаграммы напряжении в нелинейном .цифровом фильтре-

(рис. 2.29з) ,и прекращает счет до появления следующего сигнала управления, как это показано на рис. 2.29ж. При поступлении .сле­ дующего сигнала управления процесс счета начинается сначала.

Выходные 'сигналы счетчика подаются на один из входов логи­ ческой ячейки И, на другой вход которой поступают непосредствен­ но импульсы-подставки (рис. 2.29в). Для наглядности оба эти на­ пряжения приводятся на одной временной диаграмме рис. 2.29ы. При совпадении во времени входных сигналов -ячейка И выдает сигнал на выходе (рис. 2.29/с).

Из временных диаграмм рис. 2.29 следует, что при заданной длительности импульсов-подставок, фиксированном значении ча­ стоты вспомогательного генератора / и установленном на счетчикечисле я (на рис. 2.29 я = 7) совпадение во времени входных сигна­ лов ячейки И и соответственно появление сигнала на выходе этой ячейки возможно в ограниченной области частот входного сигна­ ла F. При сигнал ,на выходе ячейки И не возникает, так как выходной сигнал счетчика опережает очередной импульс-под- станку.

5?

2.31 —пятого) импульса шорного напряжения (рис. 2.31в) во «ре ­ менной интервал, занимаемый импульсом-подставкой тп , сводятся к в ыпол;н ен и.ю шер ав енетва

59/