автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Расширение динамического диапазона устройств дискретизации и квантования цифровой радиоприемной аппаратуры

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Женатов Бекин Десимбаевич

РАСШИРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА УСТРОЙСТВ ДИСКРЕТИЗАЦИИ И КВАНТОВАНИЯ ЦИФРОВОЙ РАДИОПРИЕМНОЙ АППАРАТУРЫ

Специальность 05.12.17 - радиотехнические и телевизионные

системы и устройства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук Побережский Е.С.

Научный руководитель доктор технических наук Майстренко В.А.

ОМСК 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ....................4

ВВЕДЕНИЕ.............................................5

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ УСТРОЙСТВ ДИСКРЕТИЗАЦИИ И КВАНТОВАНИЯ.......10

1.1. Состояние вопроса.......................................10

1.2. Аналоговые ключи.......................................14

1.3. Основные типы устройств выборки и хранения...............19

1.4. Методы представления узкополосных колебаний.............27

1.5. Выводы.................................................31

2. ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВ ВЫБОРКИ И ХРАНЕНИЯ................................33

2.1. Динамический диапазон устройств выборки и хранения.......33

2.2. Влияние апертурной неопределенности на динамический диапазон................................................40

2.3. Интегрирующее устройство выборки и хранения с большим динамическим диапазоном................................55

2.4. Режекция суммарных интермодуляционных помех и гармоник третьего порядка.........................................59

2.5. Выводы................................................65

3. СИНТЕЗ БЛОКА ДИСКРЕТИЗАЦИИ И КВАНТОВАНИЯ .. .67

3.1. Принципы построения блока дискретизации и квантования... .67

3.2. Реализация цифровых методов формирования квадратурных составляющих при оптимальной частоте....................72

3.3. Метод и устройства микроуровневой дискретизации.........83

3.4 Выводы................................................89

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАЗРАБОТАННЫХ УСТРОЙСТВ.........................91

4.1. Экспериментальное исследование динамического диапазона устройств выборки и хранения. Интегрирующее устройство

выборки и хранения.....................................91

4.2. Многоканальный блок дискретизации и квантования........104

4.3. Выводы................................................117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................119

ЛИТЕРАТУРА.........................................121

ПРИЛОЖЕНИЕ 1......................................131

ПРИЛОЖЕНИЕ 2......................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ 3......................................143

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

АЦПТ - аналоговая часть приемного тракта;

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;

БДК - блок дискретизации и квантования;

БПФ - быстрое преобразование Фурье;

ИП - интермодуляционная помеха;

ИУВХ - интегрирующее устройство выборки и хранения;

КС - квадратурные составляющие;

КЦФ - комплексный цифровой фильтр;

нэ - нелинейный элемент;

ПЗ - полоса задерживания;

ПП - полоса пропускания;

РПУ - радиоприемное устройство;

САО - среднее арифметическое отклонение;

СК - стробирующий ключ;

СКО - среднее квадратическое отклонение;

СУВХ - следящее устройство выборки и хранения;

СЧПИ - средняя частота попадания в интервал;

УВХ - устройство выборки и хранения;

ФИ - формирователь импульсов;

ФЧХ - фазо-частотная характеристика;

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

ЦРПУ - цифровое радиоприемное устройство;

ЦЧПТ - цифровая часть приемного тракта;

ЦФ - цифровой фильтр;

ЦФОС - цифровой фильтр основной селекции;

ЦФКС - цифровой фильтр квадратурных составляющих;

ЦОС - цифровая обработка сигналов.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Цифровая обработка сигналов (ЦОС) находит все более широкое применение в технике радиоприема. Основными преимуществами ЦОС перед аналоговой обработкой радиосигналов являются возможность реализации сложных алгоритмов работы, оперативное изменение этих алгоритмов при сохранении высокой точности обработки и стабильности характеристик, выполнение которых в аналоговой форме затруднительно из-за недостаточной точности аналоговой аппаратуры, высокая степень универсальности и практически абсолютная предсказуемость характеристик цифровых узлов, сокращение объема регулировочных операций в процессе изготовления и эксплуатации цифровой аппаратуры, широкие возможности ее микроминитюризации.

В известных разработках экспериментальных образцов цифровых радиоприемных устройств (ЦРПУ) [1-5] главный тракт состоит из аналоговой и цифровой частей. В аналоговой части выполняется предварительная частотная селекция и усиление сигналов, а в цифровой части, которая в приемниках при современном уровне развития элементной базы включается, как правило, на выходе аналогового тракта промежуточной частоты, - аналого-цифровое и квадратурное преобразование, основная частотная селекция, демодуляция и другие виды обработки.

При создании относительно недорогих ЦРПУ, которые бы по своим параметрам не уступали лучшим образцам аналоговых радиоприемных устройств, существует ряд проблем. Одной из важнейших среди них является проблема дискретизации и квадратурного преобразования. Процесс дискретизации сопровождается существенными энергетическими потерями, специфическими искажениями, взаимным наложением спектральных

составляющих полезного сигнала и помех. Особенности дискретизации и квадратурного преобразования колебаний в цифровых радиоприемниках исследованы недостаточно, результаты работ по вопросам дискретизации и разработке устройств выборки и хранения, используемые для формирования отсчетов, не всегда применимы ввиду того, что дискретизируемое колебание является узкополосным и представляет сумму полезного сигнала и помех, уровень которых может многократно превышать уровень сигнала.

Совокупность перечисленных факторов свидетельствует об актуальности исследования и оптимизации методов и устройств, применяемых при дискретизации узкополосных колебаний и формировании квадратурных составляющих (КС) в цифровых радиоприемных устройствах.

Цель работы - расширение динамического диапазона устройств дискретизации и оптимизация методов квадратурного преобразования узкополосных колебаний в цифровой радиоприемной аппаратуре. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Исследование динамического диапазона устройств выборки и хранения (УВХ) для цифровых радиоприемников, анализ основных факторов ограничивающих его.

2. Разработка методов увеличения динамического диапазона УВХ и их реализация.

3. Исследование влияния длительности интервала стробирования на режекцию суммарных интермодуляционных помех третьего порядка.

4. Анализ аналоговых и цифровых методов формирования КС, разработка структуры блока дискретизации и квантования (БДК) при оптимальной частоте дискретизации.

5. Разработка метода и устройств микроуровневой дискретизации.

Методы исследования. В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные с использованием методов теории радиотехнических цепей и сигналов, теории функции комплексного переменного и ъ-преобразования, методов вычислительной математики, теории вероятности и случайных процессов, математической статистики.

Научная новизна. Новыми являются следующие результаты диссертационной работы:

1. Методика измерения динамического диапазона УВХ для радиоприемников.

2. Способы расширения динамического диапазона УВХ и ослабление факторов, ограничивающих его. Предложено Интегрирующее УВХ с большим динамическим диапазоном.

3. Оценка влияния выбора длительности интервала стробирования в ИУВХ на режекцию суммарных ИП третьего порядка.

4. Метод микроуровневой дискретизации, позволяющий бороться с нелинейными искажениями в вида ограничения амплитуды узкополосного колебания по максимуму.

5. Новая структура БДК с цифровым формированием КС и минимальной степенью поражения полосы частот сигнала нелинейными продуктами и другими помехами при оптимальной частоте дискретизации.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Результаты исследования факторов, ограничивающих динамический диапазон УВХ, свидетельствует о преимуществах ИУВХ перед СУВХ и позволяют при проектировании выбрать оптимальные тип стробирующего ключа и длительность интервала стробирования, которые способствуют увеличению динамического диапазона УВХ для ЦРПУ. При использовании данных результатов разработано УВХ,

динамический диапазон которого при частотах входного сигналов, близких к 128 кГц, превышает 80 дБ.

2. Предложена структура БДК, которая при выполнении рекомендаций по выбору частоты дискретизации и методов формирования квадратурных составляющих, обеспечивает динамический диапазон, точность цифрового квадратурного представления, стабильность и повторяемость параметров, недостижимые при аналоговых методах. На основе полученных теоретических результатов разработан и испытан многоканальный БДК с динамическим диапазоном более 71 дБ и относительной погрешностью квадратурного представления минус 80дБ.

Оригинальные технические решения, предложенные в диссертации, защищены 6 авторскими свидетельствами, одно из которых внедрено.

Реализация и внедрение результатов исследований.

1. В Омском НИИ приборостроения результаты диссертационной работы внедрены в ОКР, и на их основе создан опытный образец четырехканального блока дискретизации и квантования Б8-62 с цифровым формированием КС.

2. В Омском государственном техническом университете результаты диссертационной работы внедрены в лабораторный стенд по изучению процессов дискретизации, квантования и цифрового представления узкополосных колебаний отсчетами огибающей и фазы.

Результаты внедрения подтверждаются соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Всесоюз. научн.-техн. конференции "Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств" (Горький, 1985г.), научн.-техн. конференции "Проблемы создания аппаратуры радиосвязи и радиоэлектронных устройств народнохозяйственного и бытового

назначения" (Омск, 1990г.), Международной НТК "Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП-98" (Новосибирск, 1998г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 5 статей в центральной печати и- 6 авторских свидетельств на изобретение.

Структура и объем диссертации: введение, четыре раздела, заключение, список литературы из 97 наименований и три приложения. Основной текст содержит 89 стр., 5 таблиц и иллюстрируется 41 рисунком.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика измерения динамического диапазона УВХ для ЦРПУ и рекомендации по его расширению.

2. Результаты анализа нелинейных искажений, возникающих из-за апертурной неопределенности УВХ, обладающие новизной и позволяющие оценить уровень ИП и гармоник на выходе УВХ при бигармоничеком входном воздействии.

3. Результаты оценки влияния длительности интервала стробирования в ИУВХ на режекцию суммарных ИП третьего порядка, обладающие новизной и практической значимостью.

4. Метод микроуровневой дискретизации и реализация на его основе устройств.

5. Синтезированная структура БДК с цифровым формированием КС при оптимальной частоте дискретизации.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ПОСТЮЕНИЯ УСТРОЙСТВ ДИСКРЕТИЗАЦИИ И КВАНТОВАНИЯ

1.1. Состояние вопроса.

В радиоприемных устройствах декаметрового и метрового диапазонов волн преобразование аналогового колебания в цифровую форму для последующей его цифровой обработки выполняется на выходе тракта промежуточной частоты [1, 3-12]. Это обусловлено тем, что основная частотная селекция производится в цифровой части приемника, и, как правило, А F«fö (AF - ширина спектра

дискретизируемого колебания u(t), а f0 - его центральная частота), колебание u(t) является аддитивной узкополосной смесью полезного сигнала и помех, причем уровень последних может существенно превышать уровень сигнала. Например, в декаметровом диапазоне основной вид помех - мощные узкополосные станционные помехи, продукты интермодуляции которых попадают в полосу частот полезного сигнала, и при недостаточной линейности приемного тракта прием сигнала становится невозможным [13-17]. Необходимый в этом случае динамический диапазон приемника по соседнему каналу можно обеспечить, применяя для квантования (10...16) - разрядный АЦП [7]. Динамическая погрешность существующих многоразрядных АЦП велика [18-25] и обусловлена тем, что за счет конечного времени преобразования и неопределенности момента его окончания не удается получить однозначное соответствие между значениями отсчетов и моментами времени, к которым их следует отнести.

Значение апертурной неопределенности можно определить разложив для исходного колебания u(t) в ряд Тейлора в окрестностях

точек отсчета, которые для п -ой точки имеет вид:

t2 t^ 4' KnJ a K nJ 2 n k\ n

и дает в первом приближении апертурную погрешность

где: t - апертурная неопределенность, которая для АЦП является

м

временем преобразования [27].

Обычно для оценки апертурных погрешностей используют синусоидальный сигнал u(t) = Um sinmt для которого максимальное

относительное значение апертурной погрешности

A U„IU=tDt„. am а

Если принять, что для и-разрядного АЦП с разрешением 2~п апертурная погрешность не должна превышать шага квантования, то между частотой синусоидального колебания о, апертурным временем ta и относительной апертурной погрешностью имеет место

соотношение \l2n=mta. На рис.1.1 приведена номограмма,

построенная по этому выражению и связывающая апертурную погрешность, частоту синусоидального колебания и разрешающую способность АЦП [2В].

Например, для обеспечения дискретизации синусоидального колебания частотой ЮОкГц с погрешностью 1% время преобразования АЦП должно быть 25нс. В то же время с помощью такого АЦП в соответствии с теоремой Котельников а можно дискретизировать колебания, имеющие ширину спектра до 20МГц. Таким образом, дискретизация с помощью самого АЦП не позволяет полностью реализовать его потенциальные возможности, что сильно усложняет и удорожает процесс аналого-цифрового преобразования.

Динамическую погрешность оценивают апертурной неопределенностью, которая в АЦП проявляется либо как погрешность мгновенного значения сигнала при заданных моментах измерения, либо как погрешность момента времени, в который производится измерение при заданном мгновенном значении колебания.

Рис.1.1

При равномерной дискретизации, которая получила наиболее широкое применение, следствием апертурной неопределенности является возникновение амплитудных погрешностей, которые называются апертурными и численно равны приращению сигнала в течение апертурного времени. Если использовать другую интерпретацию эффекта апертурной неопределенности, то ее наличие приводит к "дрожанию" истинных моментов времени, в которые берутся отсчеты колебания, по отношению к равноотстоящим на оси времени моментам. В результате вместо равномерной дискретизации со строго постоянным периодом осуществляется дискретизация с флуктуирующим периодом, что приводит к нарушению теоремы отсчетов и появлению погрешности. Поэтому для дискретизации

колебания используется УВХ, которое в течение короткого интервала стробирования А tc формирует отсчет и фиксирует его на все время

аналого-цифрового преобразования, что позволяет снизить динамическую погрешность, возникающую в процессе аналого-цифрового преобразования, и осуществить более точную привязку кодового эквивалента к реальному моменту взятая отсчета [27,29,30].

Преобразование в цифровую форму и формирование КС аналогового узкополосного колебания, поступающего с выхода тракта промежуточной частоты, осуществляется в ЦРПУ с помощью блока дискретизации и квантования. При этом квадратурный метод представления узкополосного колебания при цифровой обработке сигналов наиболее эффективен, так как позволяет с минимальными затратами реализовать многие типовые операции цифровой обработки: цифровую фильтрацию, быстрое преобразование Фурье, сдвиг и инверсию спектра, демодуляцию амплитудно- и фазомодулированных сигналов и др. [7,30-34]. Квадратурные составляющие ¥д и Ум

узкополосного колебания м(/)=и (?) со$[го0?+#>(/)] (здесь иф, (р(Т) -огибающая и фаза колебания, в>о =2я/0, /0 - центральная частота)

являются действительной и мнимой частями комплексной огибающей Г(0 = Гд(0 + ]УМ и совпадают с огибающими косинусного и синусного

компонентов: = , причем Уд(0 = II(0соя^),,

Ум (1) = и(фт $>(/). Точность квадратурного представления колебания в

БДК в значительной мере определяет качество всей последующей цифровой обработки. Погрешность формирования КС снижает помехоустойчивость радиоприема, а при демодуляции непрерывных сигналов приводит к появлению нелинейных искажений на выходе демодулятора.

1.2. Аналоговые ключи.

Аналоговые ключи, применяемые в УВХ, �