Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
+ГЭК Шпоры УПИОС 2010.docx
Скачиваний:
32
Добавлен:
28.04.2019
Размер:
15.78 Mб
Скачать

Вопрос 9. Усилители пч

Назначение: работают на фиксированной частоте равной ПЧ, обеспечивают усиление принимимаемого сигнала до уровня, необходимого для нормальной работы детектора; формирует АЧХ приёмника, определяющую его селективность по соседнему каналу.

Существует ряд частот, значения которых рекомендуется принимать за ПЧ. На них не ведётся связь вообще. Выбирирают их из требований избирательности по зерк. каналу и диапазону принимаемых частот.

Качественные показатели УПЧ:

- коэф. усиления по напряжению (105…107);

- ПП (АМ – 8-12 кГц, ЧМ – 250 кГц, связь – 25-200 кГц, ССС - <=72 МГц) по уровню -3дБ;

- избирательность по соседнему каналу;

- коэффициент прямоугольности.

Различаю УП и ШП УРЧ.

2 способа реализации (РИ и СИ): УПЧ с распределенной избирательностью, где в каждом каскаде происходит покаскадное накопление избирательности и УПЧ с сосредоточенной избирательностью. Во втором случае УПЧ апериодический или слабоизбирательный, на его входе – ФСС (многозвенный LC-фильтр, активный RC-фильтр, пьезоэлектрический фильтр, ЭМФ, ЦФ).

При сильных помехах эффективнее УПЧ с СИ, а при малых помехах – РИ.

N-каскадный УПЧ с РИ на идентичных 1-контурных каскадах, настроенных на ПЧ имеет модуль Кусил:

При постоянной проводимости Y21 ур-е нормированной АЧХ:

А ПП по уровню -3дБ:

С ростом количества каскадов ПП сужается. Поэтому при заданной ПП и увеличении числа каскадов приходится увеличивать затухание каждого каскада, что приводит к уменьшению усиления. Усилок на одиночных контурах проще в настройке, но при одинаковых значениях К имеют меньшую ПП и коэффициент устойчивости. В этом случае используется усилок с 2 связанными контурами в каждом каскаде и инд. или емк. связями:

(+) лучшие усиление и избирательность

(-) сложны в настройке и реализации.

Такие усилки применяются в ШП многоканальных аналог. и цифр. системах для предотвращения искажений сигналов и линейности ФЧХ. В качестве акт. элементов используются интегральные схемы.

Так как L и С громоздки, то в большинстве случаев используют схему с СИ, а усилок делают апериодическим. Такая схема не требует настройки.

Вопрос 10. Полосовые частотные фильтры: назначение, характеристики и физическая реализация

Основные параметры фильтров: 1) полоса пропускания (ПП), 2) неравномерность в ПП, 3) затухание в ПП, 4) затухание в полосе задерживания (коэффициент прямоугольности).

Наиболее распространены LC фильтры. Они строятся путем каскадного включения полосовых звеньев, согласованных по характеристическому сопротивлению.

Связь между контурами обычно внешнеемкостная.

АЧХ формируется сложением АЧХ контуров (обычно для ↑ прямоугольности АЧХ немного расстроены, и появляется неравномерность).

На частотах до 300МГц применяются дискретные LC элементы. На более высоких частотах L невозможно реализовать → применяются четвертьволновые резонаторы, а так же микрополосковые линии.

При расчёте фильтра задаются аппроксимациями Бесселя, Баттерворта, Кауэра, Чебышева.

С развитием микроэлектроники находят применение (до 200 кГц) активный RC фильтры в интегральном исполнении, они представляют собой либо ПФ, либо последовательное включение ФВЧ и ФНЧ.

ПФ на 1 ОУ обладают узкой ПП, но Кпрямоуг одного такого фильтра невелик → используют каскадное включение ФНЧ и ФВЧ.

Активные фильтры дают усиление, т.к. используется активный элемент.

Недостаток: повышенный уровень собств. шумов.

Кварцевые фильтры

Обладают близкой к идеальной характеристикой односигнальной избирательности. Работают на основе пьезоэлектрического эффекта: энергия э/м колебаний в результате пьезоэффекта -> энергию упругих колебаний акустической системы (резонатора).

Для создания используют монокристаллы кварца или поликристаллические вещ-ва (пьезокерамика на основе титаната бария).

Вырезаются пластины и с каждой стороны наносят Ме покрытие → образуется резонатор.

При использовании объемных волн возникают собственные механические колебания пластин, обладающих ↑добротностью.

Резонансные свойства можно описать эквивалентной схемой:

где Со – статич. емкость кристаллодержателя; Lкв, Cкв, Rкв – параметры пластины кварца.

Из схемы видно, что кварц обладает 2 резонансами:

1) Последовательный резонанс:

2) Параллельный резонанс:

При 0 ÷ ω1 и ω0 ÷ ∞ → резонатор имеет емкостной характер R (рис. 1), иначе – индуктивный.

АЧХ одиночного резонатора (рис.2): при последовательном резонансе max амплитуды АЧХ, при параллельном - min.

Добротность высока, так как высока индуктивность, а сопротивление мало:

Для создания фильтра используется резонансный интервал, он определяет ПП фильтра.

На основной гармонике кварц работает сотен Гц до 10ков МГц, а при использовании механических гармоник до 300-400 МГц. На чётных гармониках резонатор не работает.

Фильтры на основе пьезокерамики работают от 100Гц до 10МГц.

Qкварц=10^5, Qпьезокер. = 10^3.

Для создания фильтров применяется каскадное включение – по лестничной или дифференциально-мостовой структуре.

Лестничные фильтры (каскадное включение КР)

При ↑f → R↓ → ВЧ не подавляются, для подавления ВЧ - схема, где вместо кондеров – кварцы.

Дифференциально-мостовое включение

На схеме симметричный трансформатор со средней точкой.

Если С0=Сн, то ВЧ токи на выходе будут в противофазе и компенсируются → АЧХ равномерная. Изменяя Сн относительно С0, можно получить частоты бесконечного затухания (при этом симметричность АЧХ нарушается).

На практике используют каскодное включение, их ставят в оба плеча:

Нижние емкости компенсируют статическую емкость верхних резонаторов. Т.к. резонансный интервал невелик, то Ф узкополосный, но ПП можно расширить подбором fрез верхнего и нижнего плеча.

Широко сейчас используются монолитные пъезоэлектрические фильтры.

Их действие основано на явлении сосредоточения колебаний энергетического сдвига или кручения по толщине в области пластины, к которой подключены 4 Ме электрода, между ними образована акустическая связь.

Преимущества: хорошие массогабаритные показатели, совместимость с ИМС, малые потери, надёжность, технологичность.

Фильтры на ПАВ

Принцип действия основан на возбуждении на поверхности пьезоэлектрика акустической волны. Для преобразования эл. энергии в акустич. и обратно, применяют штыревые, либо встречно штыревые преобразователи.

Штыревая электродная структура наносится на подложку методом фотолитографии, что позволяет выполнять ее с ↑точностью.

Общий вид фильтра на пластине: 1-поглотители, 2 и 3 – вх. и вых. преобразователи.

При подаче эл. сигнала преобразователь создает на поверхности пьезоэлектрика эл. поле, вызывающее упругие деформации поверхностей. Эта деформация распраняется вдоль поверхности подложки в виде акустической волны. Шаг штырьевых электродов д.б. = λ/2 волны, возбуждаемой ПАВ, а ширина штырей = расстоянию между ними.

Основу фильтра ПАВ составляет линия задержки с n+1 отводами, роль которых играют штыри, а время задержки 1 элемента - это то время, когда волна распространяется от одного до другого.

В результате на выходе преобразователя появляется волна, которая является суммой колебаний, полученных от каждого отдельного штыря с соответствующим временным сдвигом. Интенсивность пропорциональна длине электрода, она характеризуется весовыми коэффициентами аn.

Частот. характеристика соответствует характеристике трансверсального фильтра:

,

При одинаковой длине штырей:

n – количество штырей.

Изменяя весовые коэффициенты, длину штыря и расстояния между ними можно получить характеристику произвол. формы, что реализовано в фильтрах телеприемников.

Характеристики фильтров на ПАВ: 1) f от 5 до 1500 МГц (fниж. определяется габарит. размерами, а верх. ограничена возможностями фотолитографии). 2) Мин. ПП 50-100кГц. 3) Мин. коэффициент прямоугольности 1,1-1,2. 4) Неравномерность в ПП 0,05-0,5дБ. 5) Подавление в полосе задержания 60-80 дБ.

В последнее время фильтры ПАВ используются для решения различных многофункц. задач, например, для согласования с различными сигналами с целью достижения макс. с/ш в устройствах оптимальной фильтрации. В этом случае возможности систем с ПАВ расширяются. Благодаря спец. конструкции в них осуществляется врем. задержка, масштабирование сигналов и др.

Достоинства: возможность интегральной технологии изготовления.

Недостатки: невозможность получения узких полос, трудность перестройки, ограничение величины избирательности 1 звена и т.д.

ЭМФ и ПМФ

Ограниченное применение нашли электромеханические (ЭМФ) и пьезомеханические фильтры (ПМФ). Они используются на частотах не выше единиц мегагерц, прежде всего в проф. и вещательных приемниках с частотой Fпр=465 кГц.

Электромеханические фильтры состоят из ряда пластинчатых, стержневых или дисковых механических резонаторов, соединенных упругими связками и возбуждаемых магнитострикционными преобразователями электрических колебаний в механические (или катушками с сердечниками, колебания которых передаются на резонаторы). Резонаторы выполняют из материала с нейтрал. температурным коэффициентом расширения. Резонаторы имеют такие размеры, чтобы в них был возможен резонанс на заданной частоте.

Достоинства: Подавление 80дБ, АЧХ высокой прямоугольности (1.2÷2), высокая стабильность при температурных и механических воздействиях монотонное нарастание затухания в полосе заграждения, однако они относительно дороги, масса большая, невысокая механическая прочность и не пригодны к интеграции.

ПМФ состоят из 2-х дисковых пьезоэлементов, соединенных металлической или диэлектрической связкой. Введение такой связки устраняет основной недостаток ПКФ – отсутствие монотонного нарастания затухания в полосе заграждения.

Дискретные фильтры

Получили распространение с развитием новой элементной базы и особенно при обработке цифровых сигналов. В дискретных фильтрах используется обработка неквантованных по уровню отсчетов, взятых из исходного сигнала в интервал времени t=nT, T - период дискретизации. Могут быть рекурсивными и нерекурсивными.

АЧХ нерекурсивного фильтра:

АЧХ рекурсивного фильтра:

Обе схемы имеют линию задержки, сумматоры, умножители, вторая имеет цепь ОС. Такие фильтры строятся на основе приборов с зарядовой связью, основными элементами которых являются МОП-конденсаторы и МОП-транзисторы. Благодаря этому, можно легко изменить весовые коэфф-ты, подавая соответственно смещение на затвор транзистора и тем самым оперативно и произвольно менять АЧХ фильтра.венно смещ на затвор транзисторациентыи узких полос()ка сигнала.кциональных задач,например для согласования с различным

Если нерекурсивная имеет один вариант, то рекурсивную схему можно изменять.

Цифровая обработка сигналов. Дискретные преобразования Фурье и Уолша и их применение в ЦОС

ЦОС позволяет создавать ВС, обладающие высоким быстродействием, малым энергопотреблением и возможностью создания устройств, обладающих характеристиками, не достижимыми при аналоговой обработке.

ЦОС включает не только Ц. передачу, но и додетект. и постдетект. обработку.

Сообщение при обработке мб как в Ц, так и в А виде.

Проблемы применения ЦОС:

– ограниченные быстродействие и разрядность АЦП и сигнальных процессоров – появляются дополнительные искажений и шумы

Преимущества:

– высокая точность обработки по сложным алгоритмам

– гибкая перестройка в многорежимн. устройствах, которая достигается сменой алгоритмов

– технологичность

– стабильность параметров

Недостатки:

- малый динамический диапазон

– невысокие ПЧ

– высокая цена

– масса

Додетект. обработка осуществляется на ПЧ: фильтрация, преобразование, детектирование, устр-ва для формиров-я сигнала Г-на (ЦСЧ), умножители, раскорневатели, Гильбераторы.

Постдетект-я обр-ка: восстановление сообщ. в Ц. форме (RDS), цветн. ТВ, декодир-е.

Синтез мб осущ-н с пом-ю линейн. разностн. уравнений с постоян. коэффиц., позвол-х найти выходн. последов-ть по входной с пом-ю временной свёртки (коррел-и) и дискретного преобр-я Фурьи.

Алгоритмы предназначены для: - спектр. анализа врем-х последов-й; - корреляц. обр-ки; - фильтрации; - интерполяции и проч.

В кач-ве алг-в преобр-я исп-ся быстрое прямое и обр-е преобр-е Фурье и быстрое преобр-е Уолта. Ещё Баркера (в 3G)

В основу алгоритмов ложится преобр-е Фурье, кот. м. формир-ся по разл базисным ф-м (тригон., но он инеудобны, поэтому примен. комплексные компоненты).

Интегралом Фурьи преобраз к конечной сумме:

Вычисления реально удобно проводить в матричном виде, но дело осложнено тем, что имеется больш. кол-во умнож. и слож-й, кот. необх. выполнить в комплекс. числах.

Кулли и Пьюки обратили вниманеи на то что матрица обладает рядом св-в, кот. м. её упростить. В рез-те был придуман алгор., получивш. название «быстрого преобр. Фурье», позвол-й сущ-но уменьшить кол-во операций умн. и слож. Этот алгоритм широко примен-ся в наст. время.

Помимо этой экспон-ты исп-ся преобразов-е по ф-м Уолта. Ф-я Уолта получ-ся из ф-и Родомахера:

Св-ва: м. примен-ся только значения 1 ил -1 , что позволяет сущ-но повысить скорость вычислений, за счёт того, что опер. умн. свод-ся к смене знака числа. В связи с этим аналогичным образом м. записать ДПФ (дискр. преобр. Фурьи):

Это фактически разлож. сигн. с конечн. энергией в ряд Фурьи по ф-м Уолта. Прямое и обратное ДПФ по ф-м Уолта записывается выраж-ми:

Матрица в вычисл. Уолта – симметр. Фактически равна транспонир-й, и равна обращ-й.

Недостаток: имеется неивариантность к циклическому сдвигу отсчётов входного сигнала, поэтому затруднена интерпретация вх. получ. результата.

Применение этих ф-й в послед. свремя находят в CDMA, тк эти ф-и взаимно ортогональны и не создают помех друг другу при исп-и одной и той же частоты. С пом-ю этих ф-й м проводить спектр, корреляц. анализы.

Цифровые фильтры

Цифровой фильтр — в электронике любой фильтр, обрабатывающий цифровой сигнал с целью выделения и/или подавления определённых частот этого сигнала. В отличие от аналогового ЦФ имеет дело с Ц сигналом, его свойства дискретны, соответственно передаточная функция не зависит от внутренних свойств составляющих его элементов.

Применение: ЦФ на сегодняшний день применяются практически везде, где требуется обработка сигналов, в частности в спектральном анализе, обработке изображений, обработке видео, обработке речи и звука и многих других приложениях.

Преимущества:

-Высокая точность (точность аналоговых фильтров ограничена допусками на элементы).

-В отличие от аналогового фильтра передаточная функция не зависит от дрейфа характеристик элементов.

-Гибкость настройки, лёгкость изменения.

-Компактность — аналоговый фильтр на очень низкую частоту (доли герца, например) потребовал бы чрезвычайно громоздких конденсаторов или индуктивностей.

Недостатки:

-Трудность работы с высокочастотными сигналами. Полоса частот ограничена частотой Найквиста, равной половине частоты дискретизации сигнала. Поэтому для высокочастотных сигналов применяют аналоговые фильтры, либо, если на высоких частотах нет полезного сигнала, сначала подавляют высокочастотные составляющие с помощью аналогового фильтра, затем обрабатывают сигнал цифровым фильтром.

-Трудность работы в реальном времени — вычисления должны быть завершены в течение периода дискретизации.

-Для большой точности и высокой скорости обработки сигналов требуется не только мощный процессор, но и дополнительное, возможно дорогостоящее, аппаратное обеспечение в виде высокоточных и быстрых ЦАП и АЦП.

Характеристики: Функция h(k), которая связывает вход и выход фильтра по реакции на единичный входной сигнал и однозначно определяется оператором преобразования фильтра, получила название импульсного отклика фильтра (функции отклика).

Функция g(k) получила название переходной характеристики системы (перехода из одного статического состояния в другое).

Нерекурсивные: Значения выходных отсчетов свертки для любого аргумента k определяются текущим и "прошлыми" значениями входных отсчетов. Такой фильтр называется нерекурсивным цифровым фильтром (НЦФ).

Рекурсивные: в вычислении текущих выходных значений участвуют не только входные данные, но и значения выходных данных фильтрации, вычисленные в предшествующих циклах расчетов.