автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Эффективные методы фильтрации и демодуляции сигналов в цифровых радиоприемных устройствах

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Р Г Б ОД

На правах рукописи

ДОЛИН Сергей Александрович

5ВФЕХТИВШЕ кетоды 01КЬТРАЩИ И ДЕМОДУЛЯЦИИ СИГНАЛОВ В Щ'ФРОЕЬК РАДОПРИЕЖХ УСТРОЙСТВАХ

Специальность 05.12.1?, - радиотехйиескиэ и телевизионные

системы и устройства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Смок-1994

Работа Еыполнваа на кафедре "Радиоэлектроника и техника СВЧ" Омского Государственного технического.университета .

Научный руководитель - кандидат технических наук,

и.о. профессора Поберехский Е.С.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Фалько А.И.

- кандидат технических наук, с.н.с. Майстренко В.А.

Ведущее предприятие - Центральное конструкторское бюро автоматики, г.Омск .

Защита состоится " ару ИЛ 1994г. в УУчас. 00 мин. на заседании диссертационного совета К 063.23,02 в Омском Государственном техническом университете.

■О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского Государственного технического университета.

Ваш .отзыв, заверенный гербовой печатью, в двух вкземплярах просим направлять по адресу: 644050, г.Омск-50, пр.Мира, II. ОмГГУ, ученому секретарю диссертационного совета К 063.23.02.

Автореферат разослан " Z0 " 1994

Ученый секретарь диссертационного совета

К 063.23.02 кандидат технических наук,

доцент ^ М.В.Пляскин

>

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

. Цифровые радиоприемные устройства (ЦРПУ)

позволяэт перейти на новый качественный уровень в технике радиоприема. В ЦРПУ возможна с высокой точностью реализация сложных методов- обработки сигналов, недостижимая в аналоговых .радиоприемниках. К осяошшл методам обработки сигналов следует отнести с£нльтрзцип и двшдуляцаа, тек хвк от них прежде всего зависит по-кэхоустойчивссть приема. Однако выполнение цифровой обработки сигналов на современной элементной басе часто связано с болыпей по1-гробляемой шцносгвда иногда и габаритами аппаратуры, чем реализация аналоговой. Одшм из путей преодоления.этих недостатков являются разработка а применение эффективных методов цифровой обработки сигналов, гозволящих значительно снизить требования к производительности и объему цифрового оборудования ЦРПУ. Решение данных задач позволит.создать конкурентоспособное ЦРПУ. Необходимо откатить, что в ПРПУ, из-за их специфичности, во ккогих случаях либо неприменимы* либо не дают должного аффекта методы обработки, используемые в аналоговых приемниках, а также ряд цифровых методов, применяемых в других областях техники. Настоящая диссертационная работа госвяазна разработке эффективных методов фильтрации а.демодуляции сигналов в ЦРПУ, что и определяет ей актуальность.

Цель работы - разработка и исследование' эффективных методов фильтрации и демодуляции сигналов в ЦРПУ. Для,достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач.

I.Разработка и исследование устройств квантования с предсказанием и формирования квадратурных составляющих на входе цифрового фильтра основной селекции. ; . .

З.Розработка алгоритма ускоренного синтеза равнополосных не-рекурсивкк цифровых фильтров (НЕФ), анализ и выбор формулы для оценки длшы импульсной характеристики (ИХ) ЩФ. ;

3.Синтез в сравнительный анализ эффективных методов и структур многоканальной щфовоЗ фильтрации. .

•».Синтез и сравнительный анализ 'эффективных алгоритмов и структур иокогсрокткых демодуляторов сютзалоз частотной телеграфии (ЧТДч).

Методы исследования. В диссертации -приведены результаты теоретических л экспериментальных исследований, полученных с использованием методов теории радиотехнических цепей'и сигналов, методов вычислительной математики, теории вероятности и случайных процес-' сов, математической статистики, теория оптимальных методов приЗыа . сигналов и оптимальной фильтрации.

Ь'2Х"ная_новкзна. Новыми являвтся слздуюдаэ результата диссер-. тащганнай работа. ■

1.Разработаны структуры устройств квантования с предсказанием полосовых колебаний по методу дельта-сигма модуляции (ДСЫ), получены для них оценки .динамического диапазона, синтезирована' и исследованы НЦФ с гладкой - аотзлитудао-частотной .характеристикой (АЧЗС) для формирования квадратурных составлякавсс.- - - ;

2.Предложен алгоритм ускоренного синтеза равнополоешх . НЦФ и . проанализированы формулы для оценки длины ИХ Щф. - : - . •

2. Произведены.синтез устройств и сравнительный анализ методов многоканальной цифровой фильтрации. ; - - '-

4.Получены и проанализированы алгоритмы и структуры некогерентного цифрового демодулятора бинарных сигналов частотной телеграфе;; (ЧТ), исследованы алгоритмы: приближенной оценки огибаицэй (ПОО)'И произведен расчёт помехоустойчивости ЧТДм с П00.,

Практическая .ценность диссертационной работы заключается , в следующем.

I .Предложенные структура квантования с прэдказаяиам полосовых колебаний по методу ДОМ позволяют наиболее. эффективно обменять высокую частоту дискретизации на. число уровней квантования,.- там самым увеличить динамический диапазон ЦРПУ. Применение НЦЭ. с,глад-' ; кой АЧХ да8т возможность для формирования квадратурных составляющих использовать простую цифровую,аппаратуру, не содэрзащу»'умножитель. Ускоренный синтез равкополоскых НЦФ требует во много pao меньше вычислительных затрат, чем традиционные алгоритма. На осно- ' ваник рекомендованной формулы оперативной оценки длины ЬОС была получены аналитически выражения числа умножений для структур грв-68HOK НЦФ.

2.Результаты сравнительного анализа перспективных структур гребенок ЩЗ позволяют осуществлять выбор структуры, обеспэчивазь вэа минимальныепроизводительность и сбъй.ч цифрового оборудования.

3.Результаты анализа полученных алгоритмов и разработанных структур некогэронтного дают возможность ьцбрать наиболее

экономичную структуру в зависимости от того,какая элементная база используется: сигнальный процессор или процессор общего применения. Результаты расчЗтов помехоустойчивости ЧГДм с ПОО позволяют осуществить обоснованный выбор алгоритма цифровой обработки в зависимости от типа процессора.

Оригинальные' технические решония защищены тремя авторскими свидетельствами. .

. - 1.В КИИ радиовещательного приёма и акустихи ил.А.С.Попова при создании радиовещательного приЭмника использован цифровой процессор, реализующий функции формирователя квадратурных составляющих и фильтра основной селекции.

2.В Омском НИИ приборостроения результаты диссертационной работы использованы при разработке цифрового блока защиты от сосре-. .доточенных по'частоте помех связного приёмника.

. Результаты внедрения подтверждаются соответствующими актами

АпробР.ция. работа. Осковше полоеэния работы докладывались на ХЫ7 Есосовз. научн. сессии НТО РЭС мл.А.С.Попова (Москва, 1989.), Всесокз. науч.-техн. конференция- "Развитие . и совершенствование . устройств синхронизации в системах связи" ; (Горький, 1988.), Все-союз. науч.-техн. конференциях ■ "Цифровая обработка сигналов з системах связи и управления" (Суздаль,:1985; Ростов Великий, 1990, .1991.)» , Всасога. школе-сеганаре по цифровой обработке сигналов (Москва, 1382),. ,. Есарос-. науч.-техн. конференции "Радиоприём и. обработка сигналов" (НижнийНовгород,1993 • ), Боерос. . науч.-практ. конференции "Перспективы развития радиоприёмной, электроакустической, студийной и звукоусилительной техники" (Санкт-Пэтербург,1Э93), региональной науч.-техн. конференции "Проблемы техники и технологий XXI века" (Красноярск,1594), Юбилейных науч.-тзхн. конференции; (Омск, 1908,1992:), . Областных науч.-техн. конференциях "Проблема радиосвязи, стабилизации частоты и акусгоэ-лектроникия (Омск, 1933,1937), -науч.-техп. конференции "Проблемы создания аппаратуры радиосвязи и .родаоэлэктронных устройств народнохозяйственного и битового .назначения" -(Омск,1990.5.

Sü5®5S§ffin¡» По тема диссертации- опубликовано 19 научных работ, в том числе 3 статьи в центральной печати и 3 авторских свидетельства на изобретение. .

Ст2^кту2а_и_объ5м_5иссертации. Работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка основных сокращений, " списка литературы из 92 наименований и двух приложений. Основной , текст изложен на 99 страницах, содержит £ таблиц и иллюстрируется 40 рисунками. . ■

1.Структуры устройств квантования с предсказанием полосовых колебания по методу ДСМ и оценки их динамического диапазона, результаты синтеза и исследования ЩФ с гладкой АЧХ для формирования .квадратурных составляющих. '

2.Алгоритм ускоренного синтеза равнополосных ЩФ и результаты анализа формул для оценки длины ИХ. ...■..■:■

3.Результаты синтеза устройств и сравнительного анализа мето- , . дов многоканальной .цифровой фильтрации.:.

4.Результаты синтеза и анализа алгоритмов и структур некогерентного демодулятора ЧТ сигналов и алгоритмов приближенной оценки, огибаюцей.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введений обоснована актуальность; работа, сформулированы цели и основные задачи исследований, научная и'практическая, ценность работы, указаны основные положения, выносимые'. на .зедату, и описена структура диссертации. Аналитический обзор литературы по проблемам, исследуемым в теоретических разди 1- 3, приводится в начале каждого раздела.

В первом разделе рассмотрены аффективные методы цифровой фильтрации в тракте ЦРПУ. Для достижения " большого динамического диапазона (> 60 дБ) необходима высокая iio отношении ,к ширине спектра' сигнала частота /д0 дискретизации'на входе АЩ, поскольку такой выбор частоты позволяет снизить помехи валокения и. спектральную плотность шумов квантования. В етом случае ■ эффективной структурой цифрового фильтра осношой селекции (ЦФОС), известной из работ Белленг®, Рабинера, Крозьера, Витязова В.В., Степаахкна А.И., По-

4 '

бэрекского B.C., 'Зэрубинского H.B. и других и обесяечюващей минимальные. производительность и . объЗм цифрового оборудования, является каскадное включение НЦЗ со ступенчатой децимацией. Также известно, что квантование на входе ЦФОС целесообразно производить методами квантования с предсказанием, осущестеляш5:а1 эффективный обмен частоты дискретизации на число уровней квантования.

В диссертации разработаны многоуровневые к многопетлевые устро;1~ втвя квантования с предсказанием полосовых колебаний по методу дельта-сигма, модуляции (ДСМ) для оптимальной частоты дискретизации f^A.o^fo'^WKO1*-1)' гдв /о"' митральная частота узкополосного колебания, int(•)- целая часть выражения. Основные отличия данных схем от ДСМ постоянного- тока заключаются в выполнении предсказания на частоте fQ и применении -резонансных усилителей (РУ), настроенных на /0. ИДеи о применении РУ и предсказания были высказаны Поберэаским S.C. и Зарубинсяим М.В. Эффективность применения РУ в ДС?Л полосовых сигналов подтверндает интегральный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), разработанный фирмой Rocixvell . International. Предсказание по двум.отсчетам / ' оггг реализуется в виде дополнительной - задержи на период дискретизации Г=7//д опт и инверсии отсчбтов в цепи обратной связи. Произведено имитационное моделирование разработанных устройств, по результатам которого получены .оцежи динамического диапазона. Динамический диапазон многоуровневой ДСМ.с л-битовым квантователем можно оценивать как Dfn=20lg{R(2n-1)), где Я=/д_сп„/Д?, ДУ- полоса частот занимаемая полезным сигналом. В случае гя-петлевой ДСМ динамический диапазон равен Uri-20lgRm.. _ Показано, что; наибольшей эффективностью обладает многопэтлевая ДСМ. Однако однопетлевая Многоуровневая ДСМ мозат быть использована для' расширения динамичэского диапазона па базе уже существующих АЦП с недостаточной разрядностью. •

В первом каскаде ЦФОС при высоком значении оптимальной частоты дискретизации предлагается использовать КЦФ о тладкой АЧХ и с их помощью формировать-' квадратурные составляхцие. Получено семейство КЦЭ с гладкой АЧХ, отличающихся различней точностью формирования квадратурных составляющих' и аппаратными затратами. Двоичная запись .коэффициентов теки фильтров содержит малое количество единиц и их эффективная реализация целесообразна на цифровом оборудовании, построенном на жесткой.логике, не содержащей встроенного умно'зятеля. Разработаны структуры для реализации НЦФ с гладкой

АЧХ, одна ко которых заздщэна a.c.I33S234.

При создании радиоприемной аппаратуры на сигнальном процессора,' имеющем встроенный укнояатель, использование фильтров с гладкой АЧХ в общем случае нецелесообразно. При этом широкое применение находит другой класс цифровых фильтров - опткмалыые по Чебы- ' шэву рэвкополосные Щч> с линейкой ФЧХ. Они, например, широко ис- ; пользуются в Ц'ЗОС и пирамидальных структурах гребёнок цифровых фильтров.Для разноголосных НЦФ был разработан алгоритм ускоренного, полиномиального синтеза. Ускоренна достигается за счет примзнения следующей процедуры тригонометрической интерполяции:

а) построение' полинома, аппрсксймируидего частотную характеристику, на равномерной редкой. сетке -частот по барицентрической формуле Лагранха;

б) вычисление отсчётов ИХ фильтра через обратное быстрое цре- . . образование Оурье (ШН частотной характеристики; "

в) триногометричаская интерполяция- через ЕПФ'на густой сетке частот.

На основе этого' .алгоритма была разработана 'на языке "Паскаль" программа 'проектирования оптимальных равнополосных НЦФ. Результаты сравнения этой программы и программы фирмы "Atlanta signal procès- • sing".показала, что ' : ' .

.•ускоренный метод даЭт существенную экономию времени синтеза, например, при /«'=53 в три раза, где //-длина ИХ ЩЕЗ. С увеличением N Енигрыш ещЗ более возрастает;

интерполяция новым методом имеёт Ексокую точность. Тек,била* синтезированы ЩФ с Л*--- 511 при представлении парменнах с плавающей запятой при одинарной точности (32 двоичных разряда).

Произведен анализ известных зишьическях .формул 'оценки'il? для • ны.ИХ'оптимальных по'.Чебышеву щ&'с.линейной ФЧХ. Эти формула."Сши приведены в работах Голда, Рабшера, Елисеева O.K. и др. Показано, что данные формулы можно или уточнить для мала значений 11, или сделать болое удобри для аналитических преобразований. Предложено ^использоЬать для оценки- длины -ИХ формулу -.- ' . ..

или. //=-21ег?озпо3;/гзл/пегргг2.07д/п;4/;, î2)

где л/-ширина переходной полосы, выразекнал в относительных единицах (относительно частоты дискретизации), О," 0_- величины, пульсаций соотЕэтственко в полосах пропускания и задерживания. Формула (2) представляет собой комбх-шацизо известного выражения, приведенного в работе Елисеева.С.Н., и окпонзкцаального члена. При большее

if формула (I) обеспечивает погрешность кие, чем. (2), и Сила использована для вывода аналитических зависимостей числа умнонэний э структурах гребЗнок фильтров в разд. 2. Полученные формулы имоют при заданной точности оценки запись,более компактную и более удобную дня проведения аналитических преобразований, чем нззостные..

Второй раздел посЕящеп вопросам синтеза и анализа многоканальной цифровой фильтрации в аппаратуре защиты от сосредоточенных по частоте покех цифрового радиоприемшпса широкополосных, сигналов. В .большинстве практических, ситуаций 'аппаратура • завдш с помощью гр ебзняи цифровых фильтров разделка г адаитиснуи смесь аароклшяос-ного сигнала к узкополосных юкех на 2 вплотную примыкающих парциальных каналов, : в каздом из которых регулируется коэффициент передача в зависимости от соотношения сигнал-аум. Вопросы построения аппаратур«! -'задив рассматривались в работах Дулацкого 3.0., Спивакова И.Р.," Ваковского М.А., Фалько А.''., Поберекского E.G., Варагана Л.Е. и др. В настоящей диссертанта сеногное виимаш'в уделено цифровой реализации гребенок фильтров.

Известно о'непосредственной реапжацяи 'гребенка параллельных ЩФ. Если Я полосовых комялексЕнх НЕС ееполнятъ- независимо друг от друга, то число умножений У—на.каадую группу фсрюфуеках гребенкой if выходных отсчетов •

ЛГ^-Ш, (3)

J t

где If длила ИХ камфго из парциальных фяльтроя. Показано, что» используя повторение коздашкэвтоз парциальпис. фьльтроз,. снижение . частоты' даскрэтязэцщт '(децгшцп»; в 0,31 раз на гытадз кавдого парциального ШЗ и повншбыга■ е9 (интарполяшго) в 0,5М раз после взвешивания колебания в каадом парциальном какало язляратури засзг-тя, моано снизить число•умяогений до

:n^i2-K4/l)zl(nl^)/6, (А)

где Ка~ 'коэффициент'"Прямоуголькости АЧЗС каждого -из парциальных фшлров. ■ ■

Выявлены три перспективных метода 'многоканальной фильтрации, которые базируются.на использовании трех следуюетх цифровых с*рук-тур: полифазной,.'- 'Шфакидальной разнополо'сяых гребенчатых ИЮ я пирамадальной равнополоснкх .ЩФ со. ступенчатой децшацией. Полифазная структура била г исследована в работах Рг.йшерэ, Крошьора, Вайдьянатхана и. др. Два другко . структуры были пр-эдлсаоп; в ходо работы над диссертацией и представляют собой развитие ' структур Дуда, Лима, Зитязова В.В. , Муравьева G.si» • и Стелахкина А.К. Пред-

локенные структуры отличаются применением специальных комплексных : НЩ> с перекрёстными связями. Выявлено, что эти структуры требуют меньшего числа умножений", чем ранее известные. . •-'

Получено аналитическое выражение общего числа умножений в полифазной структуре и дуальной ей. интерполирущей структуре о коэффициентом децимации 2гд=0,5й Л.'--."-' . ".>

.•■ (5)

Для пирамидальной структуры гребенчатых равнополосных •' НЦ4 число умножений

. У-п' т-2) ■■..-.. -[21'Г (1-3>+12(21-8)К2+С11ехр([1,0351)^0^-1 )}4>)

*1=1 С} ^(С 1,0354/(1^-1 )14) ~ • '

Где А=С (0,0331Е&3-0,63П8$3^,54(1&3+1))/((0.0331&э-0.63П&п-■ -0,54(1&$3+1)), (З^!^»-^^4-2;!, 7=0 при и 7-1 при 1X3.

В случае использования пирамидальной структуры комплексных равнополосных НЦФ со ступенчатой децимацией а дуальной ей интерполирующей структуры общее число умножений ■•■.■■■ 1оврМ-» •:

г V чг Я*-1 ^ . 1Г ?«>2Л1| --2-—— +2) ---+;/*], : ^ (7)

Сравнительный анализ этих структур, проведенный на основании выражений (3)-(7), в частности,показал, что пря'в -О,025 (неравномерность в полосе пропускания 0,5 дБ),двух значения:03 (10~3 и Ю-4, затухание в полосе задерживания. 60 н £0 дБ), трех значениях 11 (б; 16 и 32) полифазная структура обладает наименьшим числом умножений для наиболее часто используемых на практике коэффициентов прямоугольности 1,4. Пирамидальная структура равнополосных гребенчатых НЦФ становится: самой эффективной при ^<1,1.; Выигрыш ; пирамидальной структуры равнополосных НЩ> со ступенчатой децимацией проявляется лриМ<Кц< '

В третьем разделе производится синтез и анализ цифровых некогерентных демодуляторов бинарных ЧГ сгиалов. Цифровая демодуляция сигналов рассматривалась. в работах Водзиюского Ы.И., Ивановой В.Г., .Тяяэва А.И., Акчурина Э.А., Сосновского Н.С.- и. Других. Тем не менее ряд вопросов цифровой обработки сигналов в демодуляторах и, в частности в демодуляторах ЧТ сигналов, остается недостаточно изученным. ,Материал третьего раздела в' известной мере восполняет эти пробелы. 8 '

Из общего оптимального решавшего правила при' некогерентном иеме равновероятных бинарных сигналов с равными энергиями в капе с белым гауссовским шумом аналитически получены два новых горитма выполнения цифрового взаимно корреляционного ЧТД»:

*Кп(п3,)7в(п)}г- {¿^^о^^т^в^У-

{^сп^в^} У^ГпГД^ггГ;}-

) У0П(пТ), У^СпТ)- отсчеты, квадратурных составляющих аддитивной аси сигнала и помех, 70(пТ), ?в(пТ) - отсчеты квадратурных сос-злявших- опорных сигналов, К- число отсчетов в элементарной по-тке. Разработаны структуры, реализующие эти алгоритмы. Произве-ю сравнение алгоритма,; известного по монографии Побережского и вновь полученных алгоритмов (8> и \Э) по числу математи-:ких операций на одну элементарную посылку при выполнении демо-итора на сигнальном процессоре, содержащем встроенный умножи-ш, и на процессоре общего применения, не содержащем его. Пока-, ю, что ■ ■ дра. реализации цифровых демодуляторов ЧТ сигналов сигнальных щюцессорах минимальное время обработки элементарной яшга при потенциальной помехоустойчивости достигается примене-|М алгоритма (9). Например, при использовании сигнальных процес-юв 1в67ВН1 и ТХЗЗЗОЮ отказ от этого алгоритма приводит к уве-гению временя обработки посылки в режиме действующей тактовой яронизации, определяющем требования : производительности пробора, на 423 н более. В случае •реализации демодуляторов на про-¡сорах общего применения минимальное время обработки элементар-: посылки при помехоустойчивости, близкой к потенциальной,обестанется использованием модифицированного алгоритма (8). Переход к гону алгоритму вызывает увеличение времени обработки в режиме :ствущеа тактовой синхронизации на БОЖ и более, если, например, меняется дроцэссор 1В06В32. Модификация заключается в замене озений приближенными операциями, если в качестве опорных коле-ий вместо ? ГпТ/ п У„(пТ) использовать их знаковые функции

4 ' ° п ■

eign.IV (пТ)] и aign[VB(nT)l, представляхвде собой меандры, сдвинутые на четверть периода .относительно дрзф друга,и вместо нахождения квадратов огибающей выходного напряжения J-то коррелятор!

üKj(nT)= /V2K0j(nT)+V*3J(n,T) воспользоваться ее приближенной оценкой

UK, 1 nS>ß Сахс[ | VK0, (пТ) |,; VKSJ (nT) | ]* :

+<Mln[\VKQJ(TiT)\,\VKBJ(nT)\l}, (10)

где j'| операция взятия абсолютного значения (вычисление модуля) Произведен анализ (10) по требуемому числу арифметических операцй и среднеквадратичному отклонению в зависимости от значений d j ß . Выяснено, что коэффициент ß при использовании (10) в демодуляторе ЧТ сигналов не оказывает воздействия на помехоустойчивость поскольку является масштабирующим множителем. Влияние приближенно! оценки огибающей (П00) (10) на помехоустойчивость приёмника обнаружителя сигналов исследовалось в работах Казаринова Ю.М., Ияатов; В.П. и др. В диссертации на основе теории оптимального приема бы. произведен расчет численными методами помехоустойчивости демодулятора ЧТ сигналов при использовании в них П00.

Известно, что при точном вычислении огибающей ошибка в демодуляторе происходит тогда и только тогда, когда ■ огибающая пума j канале,, в котором сигнал отсутствует, превысит огибающую сумм сигнала и шума другого канала. Это событие 'интерпретируется reo-метрически как попадание вектора суммы сигнала и шума ка некоторую окружность с центром в начале координат и радиусом U, .за пределами которой оказался вектор шума другого канала.. Вероятност: ошибки такого демодулятора ЧТ сигналов описывается точным аналитическим выражением, которое приводится в. литературе по передач! дискретной информации.

Б.тао найдено, что переход от точного вычисления огибающей : П00, вычисляемой по (10).геометрически.означает переход от круга ; восьмиугольнику, центр тя»ес.ти которого совпадает с началом корр динат. В частности, при <¿=0 он вырождается в квадрат со сторонами параллельными координатным осям, при <х=1 - в квадрат со сторонами

повернутыми на 45° относительно координатных осей. Если ш'ьt=v<?-t то еосышуголыйк становится правильным. -

Согласно такой интерпретации вероятность ошибки'ЧГДМ с ПО

рас<;*;;;т!;'с0тся . как '■

P0J(dFjü)/cß)Fc(d) .<£/, (И)

где Pa(V). -0(V) ■ Функции распределения сценок огибающих U шума и смэси ситная пявс аум соответственно, и есть ко что иное, как вероятности попадания двумерных гауссовских случайных процесов шума и снеси сигнал плюс пум з восьмиугольник размером U. Параметры двумерных гауссовских случайных процессов были следуюфс.м. Одинаковые дисперсии а2=11^/2, где И0~ односторонняя спектральная интенсивность белого шума ,2- энергия -сигнала. Математическое ожидание случайного процесса в канале с шумом равно 'нуля, а в канале смеси сигнал плюс шум определяется напряжением и на выходе коррелятора и Фазой q> пршшмабмего сигнала, где и*Е.

Результаты расчетов показали,что минимальный энергетический проагрш при выбранном алгоритме- составляет менее О, ОМ дЕ при во—

7 Г"

рояткостя оиибки (сС=У2-Т). Однако даже самый простой алгоритм вычисления сценки огибающей Ы=1, ß=i) не приводит к существенному энергетическому проигрышу (<0,5 дБ), а незначительно более сложный алгоритм при вС-0,5 и ß=J вызывает проигрыш меньше 0,00 дБ.

В четЕертом_рзз5елэ приведены результаты экспериментальных исследований цифровой аппаратуры радиоприЗмных устройств.

С учЭтом теоретических результатов, полученных в первом раздела, разработан на базе БИС умножителя-накопителя цифровой процессор, вапелюаярй. формаровавиэ квадратурных составляющих и основную селекция в радиовещательном прибмннке. Найдены технические решезшя, позволяйте максимально использовать производительность $мзсгс:теля. На основа згой разработки изготовлен и экспериментально исгатш! макет процессора. Эксперименты- показали, что при • •-12{Ш!}гальной производительности цифровой аппаратуры циф-

ровое формирование квадратурных составляющих производится с погреи-

-.•Еяоетьв, формирования не более -70 дБ, а •'адаптивный цифровой (гг.1лътр основной солекции, реализующий изменение полосы пропускания от 6 кГц до 12 кГц , обеспечивал затухание в полоса задерживания по пенае 70 дБ- при коэффициенте прямоугольности 1,3. Фильтр основ-.яой'' сэлекциа- прэдетявлял собой каскадное вклвчение НЦ5 со ступенчатой --децимацией, которые были спроектированы с помощью программа ускоренного синтеза.из разд. I.. Такая структура ЦФОС оказалась Еф5ектиЕКсй и требовала минимального числа умноаений. На первый каскад Сила еозлозэна функция цифрового формирования квадратурна* составлялся,. спрозхтирсзешюго в соотвэтствгсг с рекомендациями из разд. I. Полученные характеристики превосходили ха-

II

рактеристики лучших радиовещательных приЗмников высшего класса с аналоговой обработкой.

Были также разработаны фильтр, формэтуадий квадратурные составляющие, и грабЭнка фильтров цифрового блока защиты от сосредоточенных по частоте помех для связного приёмника. Цифровая аппаратура, реализующая эти функции, была спроектирована на сигнальном процессоре типа ТМБ320Ю. На- входе блока защиты производилась-дискретизация узкополосного колебания интегрирующим устройством Еыборки и запоминания с последующим квантованием 12-ти разрядным АЦП типа П08ПВ2. Результаты исследований подтвердили возможность получения характеристик, не.досгиаиглых при выполнении аппаратуры на аналоговой элементной базе..Так, точность формирования квадратурных составляющих была ыэ хуаэ -74 дВ, нелинейность, измеренная по гармоническим помехам второго и третьего порядков, соответственно равна -81 и -во,4 дБ,а нелинейность по интермодуляционным помехам второго и третьего порядков соответственно не хуке -77 и -79,& ¿¿Б. Цифровое фор!»кроЕание квадратурных составляющих производилось по методу, изложенному в разд. I. Цифровые фильтры блока защиты разделяли спентр сигала на 16 парциальных каналов. ГребЭн-ка фильтров была реализована по полифазной структуре, проанализированной в разд-. 2. Коэффициент прямоугольвосгл АЧХ кавдого канала был равен трем при затухании 40 дБ,в полосе задерживания. Для таких требова:шй полифазная структура была аффективней других, что подтверждает выводы разд„ 2. .

Результаты разработок использованы на предприятиях и под'-, зверздаются актам внедрения в приложениях к диссертации. -

Методом статистического моделирования был исследован демодулятор ЧГ сигналов с приближенной оценкой огибающей. Зкспершек-тальные результаты попали в пределы рассчитанных интервалов с доверительной вероятностью 0,95, что подтверждает выводы разд.З. Было показано, что статистическое моделирование целесообразно проводить для относительно больших вероятностей ошибки, когда репрезентативность выборки достигается при приемлемом враыэгш работы ЗЕМ. В данном случае моделирование оказало-л целесообразным только для соотношения сигнал-шум, -соответствующих вероятностям ошибки не ниже Ю'5. В то же время методика расчетов (раза. 3) позволяет вычислить помехоустойчивость и при значительно большем отношении сигнала г. иуг.у.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.Разработаны многоуровневые и многопетлавые устройства квантования по методу дельта-сигма модуляции полосовых сигналов .для оптимальной частоты дискретизации. Имитационным моделированием для данных схем получены оценки динамического диапазона. Разработанные устройства квантования с предсказанием позволяют увеличить динамический диапазон ЦРПУ при использовании малоразрядных АЦП и ЦАП.

2. Произведён синтез НЦФ с гладкой АЧХ, используемых в первом каскаде ЦФОС для формирования квадратурных составляющих. Показано, что! указанные НПЗ» обеспечивает . кшшиаивкув производительность цифрового оборудования при реализации их на структурах, построенных на жесткой логике и не содержащих встроенного умпози-.теля, ■ Оценены частотные искажения и погрешности формирования квадратурных составляющих.

3.Разработан алгорита ускоренного .синтеза оптимальных по Ча-бкиэву равнополосннх КШ> с линейной ФЧХ. Ускорение вычислений достигается за счёт применения бис'трой интерполяции.

"... 4.На основании анализа известных предложены две новых формулы для оценки длины ИХ НЦФ, имеющие при заданной точности оценю: запись, более кокпактнуа и более удобную при проведении аналитических преобразований, чем известные формулы.

5.Показана возкогяость существенного снихения числа умножений при пепосредстЕЭННой реализации' гребЗкки фильтров. Разработаны дна эффективные пирамидальные структуры гребенки фильтров: равнополосных гребенчатых и равнополосных со ступенчатой децимацией.

," 6.Получены аналитические шрагекия оценки числа умнржэний для структур многоканальной 'циЗроьоЯ. фильтрации и произведэн их сравнительный анализ с целью выявления структуры г"- обеспечивался -' ■штяшьаие . ' . производительаоста и'.обгек; цифрового оборудования. Выявлены три наиболее эффективных метода построения грэ-СЭнок цифровых фильтров и определеги границу их при^чнешя.

7.Из обсего . оптимального. .реиаЕдэго правила некогерентного приема бинарных ЧТ. сигналов ррагаднительпо к ЩШГ ахалйэгс««си получена различные алгоритмы цифровой демодуляции при представлении ЧТ сигналов парши отсчётов квздратурнм составлпюгях и разработана стру:; демодуляторов, соответствуй®» 9тт алгоритмам. Про-извэдеп ерпвштэяышй анализ нзвеепшх и салучвгаяй алгорятков к структур по числу арифметических операций - дай - кшелнешя на сиглальнш прсцасоорч к процэссоро ейдего фякшгвя.'

13

8 . Про анализированы алгоритмы приближенной оценки огибапцей. Численными методами произведен расчет помехоустойчивости демодулятора ЧТ сигналов при использовании в них приближенной оценки огибающей. Методом статистического моделирования был исследован демодулятор ЧТ сигналов с приближенной оценкой огибающей. Экспериментальные результаты попали в пределы доверительных интервалов.

9.Разработан цифровой процессор, реализующий формирование квадратурных составляющих и основную селекцию в радиовещательном приЗмнике, найдены технические решения, позволяющие максимально использовать производительность умножителя. Реализован и экспериментально испытан макет процессора.. .

10.Разработаны фильтр,, формирующий квадратурные составляющие, и гребёнки фильтров цифрового блока защита от сосредоточенных по частоте помех для связного приёмника. Спроектирована аппаратура, реализующая эти функции. Результаты исследований подтвердили возможность получения характеристик, но достижимых при выполнении аппаратуры на аналоговой элементной базе.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО-ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Поберекский Е.С..Зарубинский М.В.,Долин С.А.Цифровые формирователи отсчетов квадратурных составляющих// Полупроводниковая электроника в технике связи: Сб. статей/ Под ' ред. И.Ф.Николаевс-кого.- М., ISS8. - Iiiп. '¿'I. - С. 171-164.

2. Побережский Е.С., Долин С.А. Анализ методов многоканальной цифровой фильтрации в радиоприемниках широкополосных сигналов// Радиотехника.-I99I.-J64.-С.47-51. '

3. Побережский Е.С.,Долин С.А.,Зарубинский М.В.Выбор метода цифровой частотной селекции в аппаратуре защиты от . сосредоточенных помех//Техника.средств.связи: Сер. ТРС.- 19Э1.- Вып.Ж.-С,И-18. '

4. Побережский Е.С.,' Зарубинский.М.В., Долин С.А. Особенности построения . цифровых гибридных систем тактовой синхронизации в высокоскоростных линиях связи// Развитие и совершенствование устройств спяхронизчпиЕ в системахсвязг.: Тез. докл. .Всесоиз.

кон!..- М.,-: IÜ8H. - 0. 16-17. ..

14

5. Поберэгский Е.С.,Долнн С.А. Многоканальная цифровая фильтрация в радиоприемных устрсйствах//ХЫ7 Всесоюз.науч.... сессия НТО РЗС им.А.С.Погова:Тоз.дскл.-М.-г JSb9.-4. I.;- С.' 4S-47.

' . 6. Побврекский E.G., Долин С.А., Хвзцкович Э.Б. Структура линейного•тракта цифрового«радиовещательного при8мника// Цифровая обработка сигналов в системах связи и управления: Тез. докл. Все-совз. науъ-техи; ЕКолн-се:ь... ; ..- Ростов'Великий, 1991С.39-40.

7. Долш O.A., Поберзаский Е.С. О некоторых алгоритмах приема ТГГ сигналов// Перпекташы развитая радиоприемной, электроакустической, студийной и звукоусилительной техники: Тез. докл.' первой Всерос. .науи-гтехн; яонй. - СПб. г IS93. - C...I3-I4.

8., Побзренский Е.С.," Долин С.А. Сравнительный анализ методов реализации цифровых демодуляторов ЧТ сигналов при"многоуровневом квантовании// Радиоприем и обработка сигналов: Тез. докл.. шестой Всерос. пауч.-техн. конф. ' ..-Нижний Новгород, 1993.-С.ев-67.

9. Побервйский Е.С.,, Долин С.А. Вопросы проектирования цифро-. вой аппаратуры защиты от сосредоточенных помех// Цифровая обработка сигналов в системах связи и управления: Тез. докл. науч^-тохн. конф.- Суздаль,IS89.- С.6-8.

Ю.Долип С.А., Зарубинский М.В., Побереяский Е.С. Квантование с предсказанием в цифровых радиоприемшссах// Первая Областная науч.,--тохн. . ксяф.: Тоз. докл.- Омск, 1983.- C.I0-II.

11.Побер^зскиЯ Е.С., Зарубинский М.В., Долин С.А. Реализация . -щ'фрсзкх методов предварительной обработки ■ полосой^ колебаний//

Проблеьа радиосвязи, стабилизации частоты и акустоэлектроники: Тез.докл.третьей обл. нвуч^-техн. конф.- Омск,1987.- С.3-5.

12.Побврезскпй E.G., Заруб:шсккй Ы.В., Долин С.А. Тактовая синхронизация в шсокоскоростшх линиях связи// Проблемы радиссвя-г.'!, стабилизация частоты п акустоэлектронихн: Тез. докл. третьей •оба»-' науч.-техн.- кой§.- Омск, IS37.- 0.6-7.

13.Побереаский Е.С.,Долин С.А..Зарубинский М.В. Сравнительный анализ методов частотной селекции в цифровой аппаратуре зщиты от сосредоточенных помех// Юбилейная науч.-техн,- ков®.:' Тез. докл.-Омск, 1988.- С.74-75. -

14.Долин С.А., Козлов А.Д., Хвэцкович *).Б. Процессор цифровой обработки сигналов на базе БИС ушоштеля-пакоштеля для . радиовещательного приемника//. Проблеьи создания аппаратуры радиосвязи и радиоэлектронных устройств народнохозяйственного и Ситового назна-чения:Тез.докл.науч;..-тех11..кснф.- 0аск,1930;- C.2I-22.

15.Долин С.А., Поберекский Е.С. Об оценке длит нерекурсивных равнополосных фильтров// Проблема создания аппаратуры радиосвязи и радиоэлектронных устройств народнохозяйственного и бытового назначения: Тез. докл. науч.-техн..' конф.- 0мск,1?Э0.- СД9-20.

16. Долин С.А. Ускоренный метод расчета оптимальных нерекурсивных фильтров// Юбилейная областная науч*~гехн., . конф.:. Тез. докл.- Омск, 1992.- С.4.

17.А.с. I26S003 СССР, МКИ4 Н. 03 Ы 1/44. Устройство двухступенчатого аналого-цифрового преобразования/ Е.С.Поберекский,; М.В.Зарубинский, С.А.Долчн (СССР).- 5 с.

18.А.с. 1336234 СССР, МКИ4 Н 03 М I/I2. Устройство аналого-цифрового преобразования узкополосных сигналов/ Е.С.Поббрежский, М.В.Зарубинский, С.А.Долин (СССР).- 6.с.

19.A.C. I5I7I42 СССР, МКИ4 Н 04 L 7/02. Устройство поэлементной синхронизации/ Е.С.Поберехский, М.В.Зарубинский, С.А.Долин, В.П.Ркмшин, В.И.Макаров, Б.Е.Сергеев, В.Ю.Кроу (СССР).- 14.с.

Лично автором получены структуры квантования с предсказанием полосовых колебаний по методу ДСМ для оптимальной частоты дискретизации и оценки их динамического диапазона, разработан алгоритм ускоренного полиномиального синтеза оптимальных по Чебышеву равно-полосных НЦФ с линейной ФЧХ. Остальные результаты получены в соавторстве.