Экзамен УПОР / Лекции Устименко / РПрУ_раздел_9 ЦОС в РПрУ

14

9. Цифровая обработка сигналов в радиоприемных устройствах

Преимущества ЦОС: Возможность существенно повысить функциональность РПрУ Высокая и прогнозируемая точность обработки сигналов Отсутствие разброса параметров (повторяемость) Возможность реализации фильтров высокого порядка

9.1. Приемник с оцифровкой квадратур сигнала в основной полосе

Квадратурный демодулятор переносит спектр сигнала в основную полосу (на нулевую ПЧ) с выделением квадратур сигнала (I – Inphase, Q – Quadrature)

Аналоговые ФНЧ подавляют ВЧ составляющие на выходе квадратурного демодулятора и выполняет роль фильтра защиты от наложения спектра (Anti-aliasing Filter). F_ФНЧ > F/2

Цифровой ФНЧ обеспечивает канальную фильтрацию (если фильтрации в аналоговом тракте недостаточно)

Основной недостаток приемников с оцифровкой квадратур сигнала в основной полосе – низкое качество аналогового квадратурного демодулятора (амплитудный разбаланс, фазовый разбаланс), а также разброс АЧХ и ФЧХ аналоговых ФНЧ

Основное достоинство – возможность работать с низкой частотой дискретизации: , следовательно – простота реализации тракта ЦОС. Тракт ЦОС в таких приемниках обычно выполняют на сигнальных процессорах

9.2. Цифровая реализация некоторых узлов РПрУ

Детектор огибающей (АД)
Частотный детектор

Комплексное умножение двух сигналов
Сдвиг спектра сигнала на частоту СДВ (умножение сигнала на ) Пример смещения спектра на -6 кГц:

9.3. Приемник с оцифровкой радиосигнала

NCO - Numerically Controlled Oscillator

Основное преимущество приемников с оцифровкой радиосигнала – высокое качество цифрового квадратурного демодулятора: точность выполнения операции умножения, абсолютная идентичность умножителей и ФНЧ, практически идеальная квадратурность сигналов NCO

Основной недостаток – высокая частота дискретизации, необходимость предварительной ЦОС. Задача решается аппаратно – на ПЛИС или специализированных процессорах (AD6620)

Основные производители ПЛИС: Altera, Xilinx

Для задач ЦОС используют особый класс ПЛИС – FPGA (Field-Programmable Gate Array)

FPGA помимо большого числа логических ячеек (8000 – 200000) содержит аппаратные умножители, встроенные PLL, могут иметь высокоскоростные последовательные интерфейсы GX (до 6 Гбит/c)

Разработаны удобные средства отладки, в том числе с использованием JTAG интерфейса

9.3.1. АЦП для оцифровки радиосигналов

Высокоскоростные АЦП: 12-16 разрядов Частота дискретизации FД до 100…200 МГц (до 1000 МГц) Частота оцифровываемого аналогового сигнала FС до 500…800 МГц

Производители АЦП: Analog Devices (AD9461, AD9468) Texas Instruments (ADS5562) Maxim (MAX19588) Linear Technology (LTC2209, LTC2274) Основные параметры АЦП: Отношение сигнал шум (SNR) Эффективная разрядность (ENOB) Уровень паразитных дискретных составляющих (SFDR) Размах входного сигнала (Upp) Напряжение питания, потребляемая мощность Выходной цифровой интерфейс (CMOS, LVDS, DDR LVDS, последовательный LVDS

9.3.2. Преобразование спектра при аналого-цифровом преобразовании

При выполнении аналого-цифрового преобразования в область частот от 0 до F_Д/2 (частоты Найквиста) переносятся спектральные составляющие аналогового сигнала из значительно более широкой частотной области. Происходит процесс наложения спектров шумов и помех на полезный сигнал.

При оцифровке сигнала в основной полосе рабочей является 1-я зона Найквиста, шумы и помехи из высших зон Найквиста подавляют аналоговым ФНЧ на входе АЦП (Anti-aliasing Filter)

При оцифровке радиосигнала его частота может находиться в одной из высших зон Найквиста. Фильтр защиты от наложения спектров в этом случае должен быть полосовым

Номер рабочей зоны Найквиста: Частота сигнала после АЦП: – NР – нечетное число – NР – четное число

9.3.3. Этапы АЦП предварительной цифровой обработки радиосигнала

9.3.4. Выбор частоты дискретизации при оцифровке радиосигнала

1. Должно быть выполнено условие Котельникова (F_Д > 2F)

2. С точки зрения минимизации шумов квантования желательно использовать высокую частоту дискретизации

Отношение сигнал шум в полосе пропускания приемника F:

Чем ниже шумы АЦП, тем меньший коэффициент передачи аналогового тракта требуется

3. Подавление паразитных полос в соседних зонах Найквиста должно быть обеспечено простыми средствами

Желательно выбирать FД близким к середине зоны Найквиста, т.е. близким (но не равным) значению:

9.3.5. Децимация сигнала. Преобразование спектра при децимации

Обычно . Для упрощения ЦОС частоту дискретизации снижают до

Децимация – прореживание цифрового потока. Например F_Д=150 МГц, полоса радиосигнала F=10 кГц. Для основной ЦОС выбираем частоту дискретизации F_Д1=15 кГц. Требуемый коэффициент децимации: D=10000

При децимации происходит преобразование спектра, поэтому процессу децимации должна предшествовать фильтрация, предотвращающая наложение спектров.

	Коэффициент децимации:
Пример преобразования спектра при децимации в 4 раза:

В качестве фильтров-дециматоров применяют КИХ фильтры (FIR – Finite Impulse Response) и CIC (Cascaded Integrator-Comb)-фильтры. Необходимо так выбрать структуру дециматора, чтобы занимаемые ресурсы ПЛИС были минимальны

9.3.6. CIC фильтр-дециматор

CIC фильтр не содержит умножителей

N интегрирующих звеньев (N=3)	N дифференцирующих звеньев (N=3) с задержкой M (обычно M=1)
ФЧХ – линейна, АЧХ: CIC фильтр должен обеспечить допустимую неравномерность в полосе пропускания (например 0.5 дБ) и требуемое ослабление в полосах задерживания (например 80 дБ). Необходимо выбрать N и реализуемое значение D

Часто фильтр-дециматор реализуют в виде каскадного соединения CIC и КИХ фильтров, например:

9.4. Приемник с широкополосным аналоговым трактом

При обоих методах оцифровки ( в основной полосе и на радиочастоте) широко применяют приемники с широкополосным аналоговым трактом (в том числе с широкополосным трактом прямого усиления)

При этом необходима эффективная система АРУ, обеспечивающая отсутствие перегрузки АЦП.

Если в полосу пропускания ШП аналогового тракта попадает мощная помеха, то коэффициент передачи аналогового тракта приходится снижать, ухудшается коэффициент шума приемника и условия приема слабого сигнала

Пример. Микросхема TDA8263 спутникового ТВ тюнера с прямого усиления

9.5. Многоканальные приемники с цифровой обработкой радиосигнала