Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Устройства приема и обработки сигналов. Учебно-методическое пособие-1
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
А.В. КИСЕЛЕВ, Р.Ю. БЕЛОРУЦКИЙ,
С.В. ТЫРЫКИН
УСТРОЙСТВА ПРИЕМА
И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Учебно-методическое пособие
НОВОСИБИРСК
2017
1
УДК 621.391.3(075.8)
К 44
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор А.А. Спектор,
канд. техн. наук, доцент М.А. Степанов
Киселев А.В.
К 44 Устройства приема и обработки сигналов: учебно-методи-
ческое пособие / А.В. Киселев, Р.Ю. Белоруцкий, С.В. Тырыкин. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2017. – 55 с.
ISBN 978-5-7782-3141-2
Настоящее пособие содержит теоритический материал и учебнометодические указания к лабораторным работам по курсу «Устройства приема и обработки сигналов». Пособие адресовано студентам
старших курсов бакалавриата и магистрантам, обучающимся по
направлениям «Радиотехника» и «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».
Работа подготовлена на кафедре радиоприемных
и радиопередающих устройств и утверждена
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
УДК 621.391.3(075.8)
ISBN 978-5-7782-3141-2 Киселев А.В., Белоруцкий Р.Ю.,
Тырыкин С.В., 2017
Новосибирский государственный
технический университет, 2017
2
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
АМ
АЦП
ДНА
КП
МСИ
МШУ
ОГ
ПК
ПЛИС
ПО
ПЧ
РПУ
УКВ
УПЧ
УРЧ
ЦАП
ФАПЧ
ФСС
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
амплитудная модуляция
аналого-цифровой преобразователь
диаграмма направленности
контактная площадка
межсимвольная интерференция
малошумящий усилитель
опорный генератор
персональный компьютер
программируемая логическая интегральная схема
программное обеспечение
промежуточная частота
радиоприемное устройство
ультракороткие волны
усилитель промежуточной частоты
усилитель радиочастоты
цифроаналоговый преобразователь
фазовая автоподстройка частоты
фильтр сосредоточенной селекции
3
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ЦИФРОВЫЕ РПУ
Цель работы: изучить основные принципы цифровой обработки
сигналов в радиоприемных устройствах на примере SDR-приемника.
Исследовать эффекты, вызванные дискретизацией, квантованием сигнала, рассогласованием его квадратурных составляющих и джиттером.
ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Дискретизация сигнала
Дискретизация (англ. sampling) – это определение значений непрерывного сигнала в дискретные моменты времени. Значения дискретного сигнала в
ного аналогового сигнала [1].
Как известно, для дискретного сигнала справедливы следующие
положения.
1. Спектр идентичен спектру исходного аналогового сигнала, однако
повторяется с шагом, равным частоте дискретизации
кающие высокочастотные компоненты спектра на частотах, кратных
называются зеркальными частотами (англ. image frequencies) [1].
На рис. 1 схематически показан процесс дискретизации. Математически его можно представить как перемножение сигнала во временной
области с последовательностью дельта-функций (функций Дирака).
В частотной области дискретизации соответствует свертка спектров
этих двух сигналов. Поскольку спектр последовательности дельтафункций представляет собой совокупность также дельта-функций,
расположенных на
эти моменты равны соответствующим значениям исход-
(рис. 1). Возни-
F
д
F
д
частотах
( , 2, ,0, ,2, )FF FF
дд дд
, про-
,
4
изойдет свертка каждой из них со спектром сигнала G(f). В результате
F
F
f
f
F
f
F
F
F
F
F
F
дF
F
f
будет наблюдаться совокупность копий G(f), центрированных на частотах, кратных
()st
.
F
д
Gf
0
t
0
()dt
0
()st
д
0
t
t
2
д
2
д
д
д
Рис. 1. Процесс дискретизации во временной и частотной областях
Gf
д
0
д
Н
Рис. 2. Спектр сигнала после дискретизации:
показано наложение спектров
0
0
Df
()Gf
д
2
д
д
д
2
д
2. Частота дискретизации сигнала
, как известно, должна удо-
F
д
влетворять теореме Котельникова. В противном случае будет наблю-
5
даться наложение спектров (англ. aliasing) аналогового сигнала и его
F
копий.
3. Наложение происходит в районе точки
, равной половине ча-
Н
стоты дискретизации. Эту точку часто называют частотой Найквиста
(англ. Nyquist frequency) или частотой заворота (англ. folding frequen-
cy) [1–3].
На практике наложение спектров имеет место всегда вследствие
присутствия шума и энергии сигнала за пределами представляющей интерес полосы частот. Поэтому перед АЦП обычно устанавливают
фильтр, ограничивающий ширину спектра сигнала. Его называют фильтром защиты от наложения спектров (англ. anti-aliasing filter) [1, 2].
Квантование сигнала
Квантованием называется процесс преобразования значений отсчетов сигнала в двоичные числа, имеющие конечное число разрядов.
В результате получается цифровой сигнал – дискретный по времени и
квантованный по уровню [1, 3].
Как известно, в традиционном процессе аналого-цифрового преоб-
q
разования каждый отсчет дискретного сигнала квантуется в один
из
2
уровней, где q – разрядность АЦП. Интервал между соседними уровнями квантования принято называть шагом квантования.
Разрядность измеряется в битах. Шаг квантования определяет разрешающую способность (разрешение) АЦП, а поскольку он непосред-
ственно зависит от разрядности, то зачастую под разрешающей способностью и разрядностью подразумевают одно и то же – количество
бит
или уровней квантования, обеспечиваемых АЦП [4–6]. Формально
разрешающую способность можно определить как способность АЦП
различать два значения входного сигнала [7].
Шаг квантования равен величине младшего значащего разряда
(англ. least significant bit) и рассчитывается как [4, 8]
V
max
где
V
– максимальное входное напряжение, не приводящее к
max
, (1)
q
2
насыщению квантователя.
Очевидно, что цифровое представление отсчетов дискретного сигна-
ла имеет конечную точность. Их значения неизбежно округляются,
6
вследствие чего квантование всегда вносит ошибку, зависящую от числа
s
разрядов АЦП. Это ошибка равна разности между исходным
()
t
округленным
значениями сигнала. Ее называют шумом квантова-
к
()st и
ния [3, 9]:
() () ()et st s t
.
к
Этот шум имеет специфическую особенность – он коррелирован с
сигналом [9]. Очевидно, что максимальное значение шума квантования
равно ±1/2 от значения шага квантования Δ [3, 6]:
()
е t
.
22
В большинстве случаев
()е t считают случайным процессом, име-
ющим равномерное распределение вероятности в этих пределах, нуле-
2
вое среднее значение и дисперсию, равную
12
. В результате дис-
кретизации шум квантования становится последовательностью чисел
е(kT), образующей дискретный случайный процесс, отсчеты которого
во многих случаях считают некоррелированными [3].
С точки зрения спектра, помимо добавления шума квантование
сигнала приводит к обогащению новыми гармониками, мощность которых уменьшается с повышением разрядности АЦП. Очевидно,
наихудший случай – разрядность 1 бит: например,
гармонический сигнал в этом случае превращается в меандр с соответствующим спектральным составом [4, 5].
Квантование называют равномерным [9] или линейным [6], если
шаг Δ не меняется для всех уровней квантования. Равномерное квантование не является выгодным при преобразовании сигналов с высоким
динамическим диапазоном, поскольку требует повышения разрядности
АЦП. В противном случае шум квантования
может сильно искажать
слабый сигнал. Нелинейное (неравномерное) квантование позволяет
преобразовывать сигнал при меньшей разрядности АЦП за счет того,
что шаг квантования для малых уровней сигнала выбирается меньше,
чем для высоких [6].
7
Квадратурное преобразование сигнала
Ц
с нулевой промежуточной частотой
Рассогласование квадратурных каналов
Типовая схема квадратурной обработки сигнала представлена на
рис. 3. Квадратурное преобразование делает из сигнала s(t) (2) два сигнала I(t) и Q(t). Они имеют смысл действительной и мнимой компонент комплексной огибающей и называются соответственно синфазной и квадратурной
составляющими [10].
Рассмотрим пример преобразования сигнала с амплитудной модуляцией:
где
где
– несущая частота сигнала; a(t) – закон модуляции;
0
() ()cos( ) () cos( ) ) cos(( ) )
It st t at t t
– частота гетеродина.
г
()st
г 0 г 00г 0
1
() sin(( ) ) sin(( ) )
at t t
2
МШУ
() ()cos( )st at t
1
2
00
() ()sin( )Qt st t
г 00 г 00
УПЧ
Г
, (2)
г
ФНЧ
sin( )t
г
cos( )t
г
ФНЧ
, (3)
АЦП
Синхронные
А
П
АЦП
Рис. 3. Структура РПУ с цифровой обработкой сигнала
Составляющие на суммарных частотах
и, учитывая то, что
sin (( ) ) sin(( ) )tt
г 00г
подавляются ФНЧ
0 г
, имеем две квад-
ратурные составляющие:
;
I
Модуль
ЦОС
Q
8
1
f
f
f
f
fпчf
() ()cos ( )
It at t
2
0 г 0
;
В случае выбора
() ()sin ( )
Qt at t
1
2
г 0
0 г 0
происходит перенос спектра сигнала на
. (4)
нулевую промежуточную частоту (ПЧ).
Далее квадратурные составляющие I(t) и Q(t) поступают на АЦП.
Обработка I(t) и Q(t) в цифровой форме открывает широкие возможности по извлечению информации из принятого сигнала с любым видом
модуляции.
Рассмотренная схема имеет ряд недостатков. Она предъявляет
высокие требования к идентичности (симметрии) I и Q каналов. На практике всегда присутствует рассогласование каналов, приводящее к явлению, называемому «квадратурный дисбаланс» (англ. I/Q imbalance)
[11, 12]. Его основная причина заключается в несимметричности аналоговых плеч структуры (рис. 3).
()Gf
c
пч
()Gf
c
Рис. 4. Спектр
сигналов при квадратурном дисбалансе
пч
()Gf принятого и пч()Gf оцифрованного
Выделяют дисбаланс между квадратурными составляющими по
амплитуде и фазе. Его можно описать, скорректировав модель сигнала,
поступающего от гетеродина [12, 13]:
9
() cos( ) sin( )st t jg t
гг г
, (5)
где g – коэффициент дисбаланса по амплитуде; φ – коэффициент дисбаланса по фазе.
В случае g = 1 и φ = 0 каналы симметричны, дисбаланса нет.
При дисбалансе в полосе частот основного канала появляется зеркальный, что приводит к проникновению сигналов из верхней боковой
полосы в нижнюю и наоборот, как показано на рис. 4 [10, 12, 13].
Реализация структуры
на рис. 3 связана и с другой проблемой – это
появление нерегулярной постоянной составляющей в синфазной и квадратурной компонентах. Она возникает вследствие несовершенства аналоговой элементной базы, а также проникновения сигнала гетеродина на
вход перемножителей.
Другие варианты структур радиоприемных устройств с цифровой
обработкой сигнала рассмотрены в прил. 1.
Джиттер
Джиттер (англ. jitter) – это непреднамеренные
кратковременные
изменения моментов дискретизации сигнала относительно их идеального положения во времени [14–17].
Помимо джиттера, изменения моментов взятия отсчетов могут порождаться так называемыми «блужданиями» (англ. wander). Разница
между этими понятиями численная. Согласно терминологии Международного союза электросвязи (ITU), под блужданием подразумевают
длительные случайные изменения моментов дискретизации с шириной
спектра до 10 Гц.
А для джиттера ширина спектра больше либо равна
10 Гц [14].
Согласно российскому стандарту, джиттеру соответствует термин
«фазовое дрожание», а блужданию – «дрейф фазы» [18, 19].
По характеру и причине возникновения различают два вида джиттера – случайный (англ. random jitter) и определенный (англ. deterministic
jitter), последний еще называют систематическим (англ. systematic).
К основным причинам возникновения джиттера относят неста
бильность частоты тактовых генераторов АЦП, потери и неоднородности в линиях передачи сигнала, паразитные наводки [20].
Нестабильность частоты тактовых генераторов, конкретнее, фазовые шумы, приводят к тому, что моменты взятия отсчетов сигнала
аналого-цифровыми преобразователями имеют случайных характер.
10
-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]