автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Повышение вычислительной эффективности цифровой обработки частотно модулированных сигналов

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Хвешссшпч Эдуард Брониславович

ПОВЫШЕНИЕ ВНЧИСДГГЕЛЬНОЙ ЭФ$ЕКП1ЕН0СП1 ЦИ5Р0В0П ОБРАБОТКИ ЧАСТОТНО МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

Специальность 05.12.17 - радиотехнические я телевизионные

системы я устройства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск 1885

Работа выполнена на кафедре "Радиоэлектроника и техника СВЧ' Омского государственного технического университета

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Поберешский Е. С,

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Шапцев В. А.

- кандидат технических наук Журавлев С. И.

Ведущее предприятие - Конструкторское бюро

" Символ г.Омск

Защита состоится " 3 " ии\пт& 1995г. в час.00мин, на заседании диссертационного совета К063.23.02 в Омском государственном технической университете.

С диссертацией иоано ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Ваш отзыв, заверенный гербовой печатью, в двух экземплярах просиы направлять по адресу: 644050, г.0мск-50, пр.Мира, 11, ОмПГУ, ученому секретарю диссертационного совета К063.23.02.

Автореферат разослан " ^г^у/^ . 16Э_Гг.

Ученый секретарь диссертационного совета К063.23.02 кандидат технических наук,

доцент И-Ю.Пляскин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из тенденций развития современной радиотехники является все более широкое внедрение методов цифровой обработки сигналов ( ЦОС ). Эта объективная тенденция обусловлена качественно новыми возможностями аппаратуры ЦОС, которая, в отличие от аналоговой аппаратуры, позволяет при высокой точности обработки и стабильности характеристик оперативно изменять алгоритмы работы, что обеспечивает в многофункциоиальшх радиотехнических устройствах возможность выполнения на одной и той же аппаратурной базе всех функций в режиме разделения времени. Неоспоримы преимущества ЦОС с точки зрения автоматизации проектирования и производства аппаратуры.

Одной из областей радиотехники, где применение средств ЦОС дает ощутимый эффект уже сегодня, является техника радиоприема. Массовый выпуск и постоянное.совершенствование специализированных однокристальных процессоров ЦОС, а также создание на их основе аппаратно-программных комплексов для отладки проектируемых устройств и испытания их в режиме реального времени позволяет минимизировать вреня и стоимость разработки аппаратуру ЦОС, обеспечить практически абсолютную предсказуемость характеристик разрабатываемых устройств уже на этапе проектирования. Непрорывное повышение производительности и снижение стоимости новых поколений процессоров ЦОС делает•экономически выгодным применение ЦОС не только в профессиональной аппаратуре, но и в высококачественной аппаратуре бытового назначения.

При создании цифрового приемника, обеспечивающего прием сигналов с различными видами модуляции, ключевой задачей, определяющей объем и стойкость цифровой части приемного тракта, является разработка алгоритмов приема наиболее кирокополосных сигналов, к числу которых относятся сигналы с частотной модуляцией. Известные алгоритмы цифровой обработки ЧМ сигналов требупт для своей реализации большого объема вычислительных затрат. В связи с этим актуальной представляется задача синтеза экономичных алгоритмов цифровой обработки ЧМ сигналов, учитывающих особенности архитектуры современных сигнальных процессоров.

Цель работы. Разработка и исследование алгоритмов цифровой обработки ЧМ сигналов, обеспечивающих по сравнению с известными снижение объема вычислительных затрат но реализаций,

и разработка на их основе структурной схемы тракта обработки ЧУ сигналов в цифровом радиоприемном устройстве. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач.

1. Исследование существующих и синтез более эффективных алгоритмов цифровой демодуляции ЧМ сигналов.

2. Разработка и исследование алгоритмов цифрового декодирования комплексного стереосигнала.

3. Разработка и исследование устройства выборки - хранения для дискретизации полосовых колебаний, отличающегося малой величиной нелинейной составляющей апертурной неопределенности.

4. Разработка структуры тракта цифровой обработки сигналов системы 4,1! стереовещания и методики выбора оптимальных значений частоты дискретизации и промежуточной частоты.

5. Создание пакета программных средств, позволяющих производить исследование характеристик функциональных узлов тракта цифровой обработки сигналов путем их имитационного моделирования на ЭВМ.

Методы исследования. В диссертации приведены результаты исследований, проведенных с использованием методов теории радиотехнических цепей и сигналов, методов вычислительной математики, теории функций комплексного переменного, теории специальных функций, теории вероятности и случайных процессов, математической статистики, теории оптимальных методов приема сигналов.

Научная новизна. Новыми являются следувцке результаты диссертационной работы.

1. Результаты анализа точности алгоритмов . цифровой демодуляции ЧМ сигналов, производящих прямую оценку частоты и реализующих процедуры приближенного вычисления значений производных квадратурных составляющих.

2. Результаты синтеза и анализа трех новых алгоритмов цифровой демодуляции ЧМ сигналов, предназначенных для работы в иадпороговой области :

- алгоритм с использованием приближенного дифференцирования квадратурных составлявших по пяти отсчетам;

- алгоритм о полиномиальной коррекцией нелинейности деиодуляционной характеристики;

- таблично-интерполяционный алгоритм с использованием процедуры определения номера полуквадранта комплексной плоскости, е котором расположен вектор демодулируемого колебания.

3. Результаты синтеза и анализа алгоритмов цифрового адаптивного декодирования комплексного стереосигнала.

4. Устройство выборки-хранения интегрирующего типа, отличающееся уменьшенной величиной нелинейной составляющей апертурной неопределенности.

5. Структура тракта цифровой обработки сигналов ЧМ стереовещания и оценка требуемого для ее реализация объема вычислительных затрат.

Практическая ценность работы.

1. Разработанные алгоритмы цифровой демодуляции ЧМ сигналов с полиномиальной коррекцией нелинейности позволяют в 4-6 раз снизить объем вычислительных затрат на реализацию демодулятора на однокристальном сигнальном процессоре.

2. Разработанный алгоритм цифровой демодуляции ЧМ сигналов, в котором производится приближенное дифференцирование квадратурных составлящих по пяти отсчетам, позволяет о 2-4 раза снизить требования к производительности умножителя в структуре демодулятора, реализованного на ниогокристальком процессоре, содержащем отдельные умножитель и сумматор.

3. Применение предложенного в работе цифрового адаптивного декодера комплексного стереосигнала дает возможность обеспечить увеличение отношения сигнал/псофометрический шум на выходе стереодекодера. Увеличение указанного отношения в паузе передачи достигает величины 18 дБА.

4. Использование разработанного устройства выборки-хранения интегрирующего типа для дискретизации сигналов с строкой полосой позволяет значительно расширить динамический диапазон блока дискретизации и квантования приемника.

5. Предложенная методика выбора значений частоты дискретизации и промежуточной частоты в цифровом радиоприемнике сигналов ЧМ стереовещания дает возмоаность произвести выбор оптимальных значений указанных частот.

6. Использование алгоритма мягкого декодирования блочного кода ( 10,6 ) позволяет создать декодер, работающий в реальном масштабе времени на вычислительной структуре низкой стоимости с ограниченным быстродействием и малым энергопотребление«.

7. Реализация разработанной структуры тракта цифровой обработки сигналов ЧМ стереовещания открывает возмоаность создания современного радиовещательного приемника, в котором обработка принимаемых сигналов производится в цифровом виде на

одном серийно выпускаемом сигнальном процессора.

Реализация и внедрение результатов исследований.

1. В НИИ радиовещательного приема и акустики им. А.С. Попова результаты диссертационной работы использованы при разработке цифрового радиовещательного приемника.

2. На приборостроительном заводе им. Козицкого при создании цифровой сети низовой связи использованы алгоритмы мягкого декодирования блочного кода ( 10, 6 ) с использованием информации о надежности приема двоичных символов.

Результаты внедрения подтверждаются соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Второй международной науч.-техн. конференции " Актуальные проблемы электронного приборостроения"(Новосибирск, 189*1), Всесоюзной науч.-техн. школе-семинаре "Цифровая обработка сигналов в системах связи и управления"( Ростов Великий, 1991 ), VIII Бсесоюзн. науч.-техн. конференции "Радиоэлектроника и связь на слу&бе качества " (Москва-Свердловск, 1988), Вестой всероссийской науч.- техн. конференции "Радиоприем и обработка сигналов" (Нижний Новгород, 1893), науч.-техн. конференции " Проблемы создания аппаратуры радиосвязи и радиоэлектроники устройств народно-хозяйственного и бытового назначения" (Оаск, 1990), Юбилейной областной науч.-техн. конференции, поев. Ш-летию омской организации НТО РоС им. А.С.Попова (Омск,1992), XXVII и XXX науч.-техн. конференциях проф.-лреп. состава, научных работников и аспирантов ( Омск, 1939 к 1984 ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе одна статья в центральной печати и одно авторское свидетельство на изобретение. *

Структура и' объем диссе р т а ц и ». Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 107 наименований и двух приложений. Основной текст излеяен на 127 страницах, содержит 3 таблицы и 40 рисунков.

Основные п о л о а е н и я, выносимые «а защиту.

1. Результаты синтеза, ' анализа и имитационного моделирования алгоритмов цифровой демодуляции ЧМ сигналов, предназначенных для работы в надпороговой области.

2. Структура цифрового адаптивного декодера комплексного стереосигнала, предназначенного,,, для . использования в ЦРПУ

сигналов ЧМ стереовещания.

3. Структура тракта обработки ЧМ сигналов цифрового вертельного радиоприемника и методика выбора значений частоты дискретизации и промежуточной частоты.

4. Устройство выборки - хранения полосовых колебаний, отличающееся уменьшенной величиной нелинейной составляющей апертурной неопределенности.

КРАТКОЕ СОДЕРШШБ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и основные задачи исследований, научная и практическая ценность работы, указаны основные положения, выносимые на защиту, и описана структура диссертации. Аналитический обзор литературы по проблемам, исследуемый в теоретических разделах 1-3, приводится и начале каждого раздела.

В первом разделе предложены и проанализированы алгоритмы цифровой демодуляции ЧМ сигналов, отличающиеся от известных значительно большей вычислительной эффективность», то есть требующие значительно меньшей производительности цифрового процессора при той же точности демодуляции или обеспечивающие более высокую точность демодуляции при тех ке вычислительных затратах.

В области исследования и разработки методов цифрового приема та сигналов известны работы Кашлейера ( Кашеуег К.-Р. ), Ван Гиндердюрена ( Van Ginderdeuren ), Побережского Е.С., Ивановой В.Г. и др. Практически во всех известных методах используется представление ЧМ сигнала на входе демодулятора в виде последовательности пар отсчетов квадратурных составляющих.'

Сформулированы критерии синтеза алгоритмов цифровой демодуляции ЧМ сигналов с учетом характеристик принимаемого сигнала, состояния канала связи, требуемой точности демодуляции, а такие структуры всего тракта обработки. Показано, что в случае выполнения в цифровом виде только демодуляции предпочтителен алгоритм на базе вычислительной процедуры C0RDIC. В случае, когда в цифровом виде осуществляется не только демрдуляция, но тагае основная селекция и формирование квадратурных составляющих, предпочтительны алгоритмы, ориентированные на использование сигнального процессора, содержащего умножитель к аккумулятор.

Методы, основанные на прямом вычислении мгновенного значения •5

частоты ЧМ сигнала обеспечивают высокую линейность демодуляциснной характеристики и практически полностью реализует потенциальную помехоустойчивость частотной модуляции в надпороговой области помехоустойчивого приема ЧМ сигналов.

Произведен анализ структуры и величины нелинейных искажений сигнала на выходе цифрового частотного демодулятора ( ЦЧД }, в котором оценка V( пТ ) мгновенного значения частоты производится по формуле

V(nT) = UsCnT)-Uc(ín-l)T) - U3((n-l)T)-Uc(nT), ( 1 )

где Us(nT) и Uc(nT) - цифровые значения отсчетов синусной и косинусной квадратурных составляющих демодулируемого колебания. Показано, что нелинейность деыодуляционнои характеристики данного демодулятора приводит к появлению высших гармоник модулирующей частоты с нечетными номерами и амплитудами, быстро убывающими с ростом номера гармоники.

Получено выражение для определения парциальных коэффициентов гармоник Kri * {Л / i!) ( ¿F/Ffl)', i = 3, 5, 7,... u общего коэффициента гармоник Кг = (Лг/6 ) ( ¿F/Fr ) .

Исследована возможность повышения вычислительной эффективности ЦЧД за счет применения более точных процедур численного дифференцирования. Показано, что наибольшей эффективностью отличается алгоритм, использующий вычисление производной по пяти отсчетам. Предложенный алгоритм позволяет в 2-4 раза сократить число умножений в единицу времени по сравнений с алгоритмом ( 1 ), в том числе благодаря выполнении умножений на в при помощи сдвига на три двоичных разряда влево. Оценка мгновенного значения частоты производится по формуле

V(nT)« { Uc(nT)-[ Us((n-2)T) - Us((n+2)T) + + 8-( Us((n+1)T) - Us((n-1)T))] - Us(nT)-[ Uc((n-2)T) -- Uc((n+2)T) + 8-( üo((b+1)T) - Iteí(n-Í)T)) ] } . ( 2 )

Коэффициент гармоник для данного алгоритма определяется выражением Кг - (Я -aF/Fa )* [2 + 27 - ( Fu/¿F )' ] / 9, где Fu-частота модулирующего колебания.

Показано, что дальнейшее увеличение числа входшх отсчетов, используемых для приближенного вычисления производной нецелесообразно, так как оно не позволяет сократить число

ериф'летических операций в единицу времени.

Разработаны алгоритмы ЦЧД с полиномиальной коррекцией нелинейности демодуляшонной характеристики. Предложена методика определения численных значений коэффициентов корректирующих полиномов.

В общем случае сигнал Ук ( пТ ) на выходе корректора вычисляется по формуле

з . £

Ш пТ ) = V ( пТ ) + К-У ( пТ ) + М-У { пТ ). ( 3 )

Здесь У( пТ ) - сигнал на выходе демодулятора, производящего вычисления по формуле ( 1 ), К и М - коэффициенты корректирующего полинома.

В качестве критерия оптимального выбора численных значений коэффициентов К я М выбрано условие равенства нулю амплитуд

АЗ = + 2КЛ3(и) - ШЫгаШн) и

А5 = 2ог5(п) - бКЛ* (йЫЗ(п) + 2Ш1(Ш)

третьей и пятой гармоник модулирующего сигнала на выходе корректора. Здесь Л(ш) - функция Бесселя первого рода 1-го порядка от аргумента ш, и = (4 Я-^/У)- з1п(йТ/2), У - циклическая частота модулирующего сигнала.

С использованием представления функций Бесселя первыми двуыя членами разделения их в ряд Тейлора по степеням аргумента га получены вырадения для расчета К и И :

!М/[ 6-Й-5иг/8 + 7-й7б4 ) ]; М=К/2-1/120. ( 4 )

Показано, что на практике допустимо принять М=К/2, что позволяет упростить вычисления по формуле ( 3 ), которую с учетом принятого допущения можно представить в виде

Ук(пТ) « У(пТН 1 + К-чМпТ) ( I + угШ/8 )]. ( 5 )

Предложена процедура определения номера полуквадраита комплексной плоскости, в котором расположен вектор демодулируемого сигнала. Данная процедура позволяет реализовать комбинированные методы оценки мгновенного значения фазы демодулируемого сигнала, в которых прямая оценка фазы производится численными методами на

интервале от 0 до ОХ / 4. Уменьшение степени априорной неопределенности текущего положения вектора демодулируемого сигнала позволяет существенно повысить вычислительную эффективность алгоритмов цифровой демодуляции Ч!.1 сигналов, производящих прямую оценку мгновенного значения фазы ЧМ сигналов.

Разработан таблично-интерполяционный алгоритм цифровой демодуляции ЧМ сигналов, в котором, благодаря использованию процедуры определения номера полуквадранта комплексной плоскости, мгновенное значение фазы вычисляется методом линейной интерполяции путем прибавления поправок к узловым значениям, извлекаемым из "ПЗУ. Показана возможность реализации данного алгоритма па базе серийно выпускаемых ПЗУ приемлемой информационной емкости и стоимости.

Во втором разделе диссертационной работы рассмотрены алгоритмы цифрового декодирования комплексного стереосигнала (КСС) в цифровом приемнике сигналов ЧМ стереовещания.

. Обоснована необходимость пересмотра подходов к выбору метода декодирования КСС б случае цифровой реализации стереодекодера. Показано, что такие традиционно вагшые задачи построения аналоговых стереодекодеров как обеспечение идентичности и повторяемости характеристик трактов обработки суммарного и разностного сигналов и их температурной и временной стабильности легко решаются при использовании цифровых методов. В этих условиях синтез стереодекодера заключается в поиске .оптимальных процедур математической обработки комплексного стереосигнала и адаптации этих процедур к особенностям архитектуры конкретного процессора.

В работах Хагивары И. ( На£птга !,'. ) описай цифровой неадаптивный стереодекодер, реализующий метод декодирования КСС с временным разделением стереоканалов. Недостатком данного цифрового стереодекодера является свойственное неадаптивным алгоритмам резкое снижение отношения сигнал / псофометрический шум в стереорекиме по сравнению с режимом моно.

Обоснована - целесообразность ' применения цифрового адаптивного стереодекодера и произведен расчет относительного уровня шума на его выходе. Результатом действия адаптивного стереодекодера является недопущение на выход приемника шумов надтоналыной части КСС, расположенных в той области спектра, где полезный сигнал отсутствует либо его уровень недостаточно превышает уровень шума.

В результате моделирования на ЭВМ получена оценка потенци-

8

ального выигрыша от применения адаптивного стереодекодирования. При построении модели колебание на входе ЧМ приемника полагалось аддитивной смесью ЧМ сигнала и белого гауссозского иума. Установлено, что применение цифрового адаптивного стерео-декодера обеспечивает значительное увеличение отношения сигнал/ псофометрический иум на выходе приемниха з режиме стерео. Снижение относительного уроЕня шума в паузе фонограммы достигает 18 дБА по сравнении со случаем применения неадаптивных алгоритмов..

Разработана структурная схема цифрового адаптивного декодера комплексного стереосигнала, обеспечивающего возможность декодирования как сигналов системы с полярно - модулированным колебанием, так и сигналов системы с пилот - тоном.

Показано, что для повышения вычислительной эффективности цифровых стереодекодеров частоту дискретизации КСС на -их входе необходимо выбирать равной учетверенному значению поднесуцеП частоты в спектре комплексного стереосигнала. При этом существенно упрощаются процедуры синхронного детектирования и формирования колебания местного генератора поднесуп;еи частоты.

Цифровой генератор частоты, равной четверги частоти дискретизации, реализуется программой циклического перебора отсчеткых значений, равных sin Ф, соз Ф, -sin Ф, -соз Ф, где $ -величина фазового сдвига между генераторами лоднесущей частоты передатчика н приемника.

Значения sin $ и cos £> получ0ются на выходе квадратурного фильтра колебания поднесущей частоты ( или пилот-тона ).

В третьем разделе диссертационной работы приведены результаты синтеза структурной схемы цифрового приемика ЧМ сигналов.

Произведен анализ причин возникновения нелинейных искажений в устройствах выборки-хранения интегрирующего типа с ключом тока. Выявлен резерв повышения точности и быстродействия ИУВХ полосовых колебаний за счет устранения зависимости моментов времени и длительности переклвчения от величины напряжения дискретизируемого колебания. Указанная зависимость * является нелинейной и, как известно из работ Зарубинского М.В., приводит я сужении динамического диапазона блока дискретизации и квантования ( БДК ) цифрового радиоприемного устройства. Разработано ИУВХ, отличающееся от известных повышенной точностью и быстродействием. Разработанное ИУВХ позволяет

реБчгь задачу дискретизации полосовых колебаний в БДК цифрового приеаакка сигналов ЧМ стереовеадиия.

Разработана методика выбора оптимальных значений частоты дискретизации и промежуточной частоты в цифровом приемнике сигналов ЧМ стереовещания. Показано, что минимальные требования к объему вчтлелительных затрат на реализацию цифровой части тракта обработки сигналов ЧМ стереовещания обеспечиваются для системы с псл/Чрно-модулированиым колебанием при выборе частоты дискретизации 1000 кГц и промежуточной частоты 2250 кГц, а для системы с пилот - тоном - частоты дискретизации 1216 кГц и промежуточной частоты 2128 кГц.

Синтезирована структура тракта цифровой обработки сигналов ЧУ стереовещания ц произведена оценка требуемого для ее реализации объема вычислительных затрат.

Предварительная аналоговая фильтрация осуществляется на первой промежуточной частоте. В случае использования рассматриваемой структуры во всеволновом ЦРПУ вещательных сигналов целесообразно выбрать значение первой промежуточной частоты 24,975 МГц , рекомендуемое для использования в приемнике амплктудно модулированных сигналов с широкополосной преселекцлей. Преобразование принимаемого колебания в цифровую форму происходит на второй, более низкой, промежуточной частоте. Дальнейшая обработка ( формирование квадратурных составлявших, основная селекция, демодуляция, адаптивное стереодекодирование ) производится в цифровой форме.

Основные характеристики главного приемного тракта:

- уровень помех наложения -70 дБ;

- подавление зеркального канала

при формировании квадратурных составляющих 73 дБ;

- избирательность по соседнему каналу

при расстройке 180 кГц 72 дБ;

- уровень нелинейных искажений при

максимальном уровне модулирующего сигнала -79 дБ.

Требуемая производительность умножителя - 8125000 умножений в секунду, что соответствует времени цикла Тц -- 109 не. Производительность процессора АРЗР-2101 ( Тц = 60 не ) с большим запасом удовлетворяет определенным выше требованиям. Таким образом, конечным результатом разработки и оптимизации функциональных узлов ЦРПУ сигналов ЧМ стереовещания является обеспечение 'возможности реализации всей цифровой обработки на

одном сигнальном процессоре.

Функциональные возможности аппаратуры приема аналоговых сигналов значительно расширяется при введении функций приема дополнительной дискретной ин-.^ормзщга. В случае цифровой реализации главного приемного траста задачи деодулядет и декодирования естественным образом возлагаются на сигнальный процессор. Для обеспечения возможности приема дискретной информации существующий приемниками аналоговых сигналов з них ъводятся дополнительные модули. При этом, сложность и стоимость дополнительного оборудования во много!! определяется вычислительными затратами на реализацию декодера, эффективным способом минимизации которых является применение методов декодирования, использующих поиск по таблице. Предложен алгоритм декодирования блочного кода (10,6) с использованием информации о надежности приема двоичных символов. Особенностью предлагаемого алгоритма является совмещение процедур жесткого декодирования и вычисления кодового расстояния между принятой кодовой комоинацией и ближайшей к ней комбинацией из кодовой таблицы и выполнение их за одно обращение к ПЗУ.

В четвертом разделе диссертационной работы приведены результаты имитационного моделирования алгоритмов цифровой обработки ЧМ сигналов, теоретический анализ которых произведен в разделах 1-3.

Разработан пакет программного обеспечения, позволяющий производить имитационное моделирование кап отдельных функциональных узлов тракта цифровой обработки ЧМ сигналов, так л тракта в целом. В результате проведенного имитационного моделирования получены спектрограммы сигналов на выходе цифровых демодуляторов ЧМ сигналов, подтвердившие положения и Еыаоды, полученные в результате их теоретического анализа.

Сравнение алгоритмов цифровой демодуляции 45.! сигналов с точки зрения вычислительной эффективности дало следующие результаты. В случае'демодуляции 45,1 сигнала с девиацией частоты ДГ --« 50 кГц для обеспечения Кг = -75 дБ алгоритм { 1 ) требует выполения 10000 укноиений и 5000 сложений в 1 мс, алгоритм с вычислением производной по пяти отсчетам - 2750 укнохений и 9825 сложений в 1 мс ( при и--10 ); алгоритм с коррекцией нелинейных искажений полиномом третьей степени - 3654 умножения и 1462 сложений в 1ыс, а с коррекцией полиномом пятой степени -1920 умножений и 860 сложений в 1 мс.

Получены спектрограммы сигналов на выходе ЦЧД, по которым

определен спектральный состав и величина нелинейных искажений. Для алгоритма с предварительным определением номера полуквадранта и полиномиальной коррекцией нелинейности демодуляционной характеристики Г К = 0,163 и М = 0,0315 ) общий уровень нелинейных искажений при максимальном уровне модулирующего сигнала не превышает -79 дБ при Гд = 250 кГц.

Экспериментально подтверждена возможность создания цифровых частотных демодуляторов, обеспечивающих®точносгь демодуляции в соответствии с требованиями, предъявляемыми к бытовой радиоприемной аппаратуре высшего класса. При этом минимальное значение частоты дискретизации по каждому из квадратурных каналов должно составлять 750 кГц для ЦЧД, производящего приближенное дифференцирование квадратурных составляющих по пяти отсчетам и 250 кГц для ЦЧД, основанного на применении коррекции нелинейности демодуляционной характеристики полиномом пятой степени.

■ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Сформулированы критерии выбора и оптимизации алгоритмов цифровой демодуляции ЧМ сигналов с учетом характеристик принимаемого сигнала, требуемой точности демодуляции, а также структуры всего тракта обработки. Показано, что в случае выполнения в цифровом виде только демодуляции предпочтителен алгоритм на базе вычислительной процедуры С0ИБ1С. В случае, когда в цифровом виде осуществляется не только демодуляция, но также основная селекция и формирование квадратурных составляющих, предпочтительны алгоритмы, ориентированные на использование сигнального процессора, содержащего умножитель и аккумулятор.

2. Исследована возможность повышения вычислительной эффективности ЦЧД за счет применения более точных процедур численного дифференцирования. Показано, что наибольшей эффективностью отличается алгоритм, использующий вычисление производной по пяти отсчетам. Предложенный алгоритм позволяет в 2 - 4 раза сократить число умножений в единицу времени.

3. Разработаны алгоритмы ЦЧД с полиномиальной коррекцией нелинейности демодуляционной характеристики. Аналитически получены выражения, позволяющие определить численные значения коэффициентов корректирующих полиномов. Показано, что наибольшей вычислительной эффективностью среди алгоритмов данной группы отличается "алгоритм с коррекцией полиномом пятой степени,

то

обеспечивающий при заданном качестве приема ( уровень нелинейных искажений -75 дБ ) снижение объема вычислительных затрат в пять раз по сравнений с известным алгоритмом без коррекции.

4. Предложена процедура определения номера полуквадранта комплексной плоскости, в котором расположен вектор демодулируемого сигнала, на основе которой разработан таблично-интерполяционный алгоритм цифровой демодуляции 1!М сигналов. Показана возможность его реализации на базе серийно выпускаемых ПЗУ приемлемой информационной емкости и стоимости.

5. Обоснована целесообразность применения цифрового адаптивного стереодекодера и произведен расчет относительного уровня шума на его выходе. Б частности показано, что применение цифрового адаптивного стереодекодера обеспечивает снижение относительного уровня шума на выходе приемника, которое в паузе фонограммы достигает 18 дБА по сравнению со случаем применения неадаптивных алгоритмов.

6. Разработана структура адаптивного цифрового декодера комплексного стереосигнала, обеспечивающего возможность декодирования как сигналов системы с полярно - модулированным колебанием, тан и сигналов системы с пилот - тоном. Показано, что для повышения вычислительной эффективности цифровых стереодекодеров частоту дискретизации комплексного стереосигнала на их входе необходимо выбирать равной учетверенному значении поднесуцей частоты в спектре комплексного стереосигнала.

7. Произведен анализ причин возникновения нелинейных' искажений в устройствах выборки-хранения интегрирующего типа с клпчом тока. Выявлен резерв повышения точности и быстродействия ИУВХ полосовых колебаний 'за счет устранения зависимости моментов времени и длительности переключения от ..величины дискретизируемого напряжения. Разработано ИУВХ, отличающееся от известных повышенной точностью и быстродействием. Разработанное ИУВХ предназначено для осуществления дискретизации полосовых колебаний в блоке дискретизации и квантования цифрового приемника сигналов ЧМ стереовещания.

8. Разработана методика выбора оптимальных значений частоты дискретизации и промежуточной частоты в цифровом приемнике сигналов ЧН стереовещания. Показано, что минимальные требования к объему вычислительных затрат на реализацию цифровой части тракта обработки сигналов ЧМ стереовещания обеспечиваются для системы с полярно - модулированным колебанием при выборе частоты

дискретизации ÎOOO кГц и промежуточной частоты 2250 кГц, а для системы с пилот - тоном - частоты дискретизации 1216 кГц и промежуточной частоты 2128 кГц.

S. Предложен алгоритм декодирования блочного кода ( 10,6 ) с использованием информации о надежности приема двоичных символов. Особенностью предлагаемого алгоритма является совмещение процедур жесткого декодирования с вычислением кодового расстояния между принятой кодовой комбинацией и ближайшей к ней кодовой комбинацией из кодовой таблицы и выполнение их за одно обращение к ПЗУ. Произведена оценка энергетического выигрыша по сравнению с жестким декодером. При вероятности трансформации кодового слова Ркс «= 10"3 выигрыш составляет 1,6 дБ, а при Ркс = 10 - 2,1 jp.

10, Разработана структура тракта цифровой обработки сигналов 4M стереовещашиз и произведена сценка требуемого для ее реализации объема вычислительные затрат. Показана возможность реализации всей цифровой обработки в цифровом приемнике сигналов 4M стереовещания на одном серийно выпускаемом сигнальном процессоре, например ADSP-2101 фирмы Analog ¡Devices.

11. Разработан пакет программного обеспечения, позволяющий производить имитационное моделирование как отдельных функциональных узлов тракта цифровой обработки 4M сигналов, так и тракта в целом. В результате проведенного имитационного моделирования получены спектрограммы сигналов на выходе цифровых демодуляторов 4M сигналов, подтвердившие пбложения и выводы, полученные в результате их теоретического анализа.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Хвецкович Э.Б., Побережский Е.С. Анализ метода демодуляции частотно модулированных сигналов в цифровом радиоприемнике//Радиотехника. 1994. N2. - С. 47-54.

2. Побережский Е.С., Пахоменко C.B., Хвецкович Э.Б. Два подхода к реализации цифровых демодуляторов 4M сигналов// Тр. второй междунар. науч.-техн. конф."Актуальные проблемы электронного приборостроения", - Новосибирск, 1894.- Т. 4, С. 87-90.

3. A.c. 1689993 СССР ЫКИ 4 G 11 С 27/02. Устройство выборки-хранения/ С.В.Пахоменко, 3.Б.Хвецкович (СССР). - 6с.

4. Хвецкович Э.Б. Цифровой демодулятор 4M сигналов с

полиномиальной коррекцией нелинейных искааений//Шестая всероссийская науч.-техн. конф. " Радиоприем и обработка сигналов посвященная 75-яетию Нижегородской радиолаборатории: Тез. докл. - Нижний Новгород, 1993,- С. 67.

5. Побережскип Е.С., Хвецкович Э.Б. Структура линейного тракта цифрового резательного г.риемника//Всесош. науч.-техн. школа-семинзр " Цифровая обработка сигналов в системах связи и управления ":Тез. докл.-Ростов Великий, 1931.-С. 39-40.

6. Хвецкович Э.Б. Синтез и оптимизация алгоритмов цифрового адаптивного декодирования комплексного стереосигнала/ Омск. гос. техн. ун-т,- Омск,19Э4.-24 с.-Деп. в ВИНИТИ 15.03.84, N 1478 - В.94.

7. Пахоменко C.B., Хвецкович Э.Б. Эффективные численные алгоритмы цифровой демодуляции. 4M сигналов/ Омск. политехи, ин-т,- Омск,1933. - líe. - Дел. в ВИНИТИ 16.07.93, N 2015 - В93.

8. Хвецкович Э.Б. Кодек системы передачи данных, реализующий мягкое декодирование с плавающим порогом в канале стираний//"Ресурсосберегающяе технологии. Проблемы высшего образования." XXX науч. конф. профессорско-преподавательского состава, науч. работников и аспирантов:Тез. докл.- Омск. 1994.-С. 72.

9. Пахоменко C.B., Хвецкович Э.Б. Автоматизированное рабочее место инженера-разработчика аппаратуры цифровой обработки сигналов/ Омск, политехи, ин-т. - Омск,1993.- 11 с. - Деп. в ВИНИТИ. 15.07.93, Il 2000-В93.

10. Зарубинский М.В., Пахоменко C.B., Хвецкович Э.Б. Лабораторный стенд для измерения параметров систем тактовой синхронизации// Радиоэлектроника и связь на службе качества: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конференции. ' - Москва-Свердловск, 1938. - С.33.

И. Пахоменко C.B. Хвецкович Э.Б. Применение пар последовательностей Касами для идентификации абонента в системе связи с мкогостаиционным доступом/ Омский политехи, ин-т. - Омск,1893. -20 с. - Деп. в ВИНИТИ 16.07.93, N 2014 - Б93.

12. Хвецкович Э.Б. Синтез и анализ алгоритмов цифрового адаптивного декодирования комплексного стереосигнала// " Ресурсосберегающие технологии. Проблемы высшего образования;" XXX науч, конф. профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов:Тез. докл. -Омск, 1994.-С. 6!3.

13. Хвецкович Э.Б. Цифровая реализация фильтра основной селекции профессионального радиоприемного устройства//3-я

областная науч.-техн. кокф. студентов и молодых ученых, посвященная Дню радио: Тез. докл.- Омск, 1990.-С.5.

14. Пахоменко C.B., Хвецкович Э.Б. Повышение вычислительной эффективности цифрового демодулятора 4M сигналов// Юбилейная областная науч.-техн. конф.: Тез. докл. -Омск,1992. - С. 6.

15. Хвецкович Э.Б., Козлов A.B. Реализация цифрового формирователя квадратурных составляющих на базе ИМС микромощного микропроцессорного комплекта // Науч.-техн. конф. " Проблемы создания аппаратуры . радиосвязи и радиоэлектронных устройств народнохозяйственного и бытового назначения" : Тез. докл.- Омск, 1990.-С. 17-18.

16. Долин С.А,, Козлов А.Д., Хвецкович Э.Б. Процессор цифровой обработки сигналов на базе БИС умножителя-накопителя для радиовещательного приемника // Науч.-техн. конф. "Проблемы создания аппаратуры радиосвязи и радиоэлектронных устройств народнохозяйственного и бытового назначения" : Тез. докл. -Омск, 1990.-С. 21-22.

17. Пахоменко C.B., Хвецкович Э.Б. Реализация помехоустойчивого демодулятора ЧТ сигналов на микропроцессоре Т36ВМ1// Юбилейная областная науч.-техн. конф.:Тез. докл. -Омск, 1992. - С.З.

18. Зарубинский М.В., Хвецкович Э.Б., Панов Ю.Б., Пахоменко C.B. Блок дискретизации и квантования для высококачественного ввода речевых сигналов в ПЗВМ//Юбилейная' областная науч.-техн. конф.: Тез. докл. - Омск,1932. - С.6.

19. Зарубинский М.В.,. Хвецкович Э.Б., Панов D.B., Пахоменко С.В, % Программное обеспечение системы речевого оповещения на базе IBM РС//Юбилейная областная науч.-техн. кокф.: Тез. докл. - Омск,1992. - С.14.

20. Пахоменко C.B., Хвецкович Э.Б. Автоматизированное рабочее место инженера-разработчика аппаратуры цифровой обработки сигналов// Юбилейная областная науч.-техн. конф.: Тез. докл. - Омск, 1992. - С. 23.

Основные результаты получены автором лично. В соавторстве получены алгоритмы цифровой демодуляции 4M сигналов, основанные на применении процедур численного дифференцирования квадратурных составляющих, схема устройства выборки-хранения, программные средства анализа в спектральной области результатов имитационного моделирования алгоритмов цифровой обработки сигналов.

Редактор В. Л. Рябяков

Подписано к печати 11.01,95. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Уол.печ.л. 1,0. Уч.-изд.л. 1,0. Изд. код 0X5, Тираж 100 экз. Заказ

Родагашонно-иэдательскпй отдел ОмГТУ, 644050, Омск, пр. Мира, II. Типография ОмГТУ