Содержание к диссертации
Введение
1. Принципы построения возбудителей радиопередатчиков в ОВЧ-ЧМ радиовещании и их математическое описание 16
1.1. Анализ современного состояния техники возбудителей ОВЧ-ЧМ радиовещания 16
1.2. Математическое описание возбудителей ОВЧ-ЧМ радиовещания 32
1.3. Выводы по первой главе 47
2. Исследование дельта-сигма модуляторов применяемых в синтезаторах частот 48
2.1. Постановка задачи 48
2.2. Алгоритмы формирования управляющей последовательности дельта-сигма модулятора 50
2.3. Исследование шумоподавляющих свойств автономной системы ДСМ 58
2.4. Исследование нелинейных свойств автономной системы ДСМ 68
2.5. Исследование шумоподавляющих свойств ДСМ на модели КСС 78
2.6. Выводы по второй главе 84
3. Исследование динамических, частотных и спектральных характеристик возбудителя 86
3.1. Постановка задачи 86
3.2. Исследование частотных и спектральных характеристик возбудителя 91
3.3. Преобразование шумов системой ИФАПЧ 112
3.4. Исследование динамических характеристик возбудителя 116
3.5. Выводы по третьей главе 120
4. Расчет и реализация цифрового стереофонического возбудителя ОВЧ-ЧМ диапазона на основе дельта-сигма синтезатора частот 122
4.1. Постановка задачи 122
4.2. Методика проектирования СЧ с ДСМ 123
4.3. Выбор элементной базы и разработка схем. Создание макета. 124
4.3.1. Общая структура передатчика 124
4.3.2. Сигналы комплексной дополнительной информации 129
4.3.3. Особенности реализации СЧ с ДСМ 138
4.4. Экспериментальное исследование лабораторного макета возбудителя 145
4.5. Выводы по четвертой главе 152
Заключение 153
Список литературы
- Анализ современного состояния техники возбудителей ОВЧ-ЧМ радиовещания
- Алгоритмы формирования управляющей последовательности дельта-сигма модулятора
- Исследование частотных и спектральных характеристик возбудителя
- Методика проектирования СЧ с ДСМ
Анализ современного состояния техники возбудителей ОВЧ-ЧМ радиовещания
Как было показано во введении, в настоящее время крайне актуальна проблема модернизации радиовещательных передатчиков ОВЧ диапазона. Модернизация касается, прежде всего, тракта формирования радиосигнала (синтезатора, модулятора, стереокодера).
На сегодняшний день в возбудителях ОВЧ-ЧМ радиовещания применяется два основных метода формирования радиосигналов: аналоговое и цифровое. На рис. 1.1 представлена упрощенная схема традиционного аналогового стереофонического возбудителя ЧМ радиовещания на основе кольца фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Основные блоки: ЭГ - эталонный генератор, ЧФД - частотно-фазовый детектор, ФНЧ - фильтр нижних частот, ГУН - генератор, управляемый напряжением, /N - делитель частоты. Модулирующий сигнал Частотная модуляция сигнала в системе ФАПЧ может осуществляться различными способами, например, подачей модулирующего напряжения на варикапы ГУН. Синтезаторы частот на основе данного аналогового метода формирования сигналов радиовещания отличаются простотой конструкции и, как следствие этого, низкой стоимостью. Вместе с тем, они обладают рядом недостатков, присущих аналоговым системам: нестабильностью параметров устройства, связанных с изменением температуры, питающих напряжений, старением элементов; чувствительностью к помехам и наводкам (за счет инерционной системы ФАПЧ), изменением параметров модуляции при смене рабочей частоты (за счет нелинейной характеристики управления частотой ГУН), сложностью стыковки с цифровыми трактами формирования и распределения программ. Тем не менее, такие устройства все еще используются в отечественных системах радиовещания [1,2].
Второе направление основано на применении цифровых технологий формирования модулирующего сигнала (с помощью цифрового вычислительного синтезатора) с последующей цифровой частотной модуляцией, осуществляемой в цифровом вычислительном синтезаторе (ЦВС). Преобразование сигнала в аналоговую форму происходит непосредственно на радиочастоте в ЦВС. Перенос полученного сигнала в заданный для радиовещания диапазон и фильтрация внеполосных излучений, вызванных цифровой обработкой сигнала, осуществляется дополнительными аналоговыми устройствами [41, 46], что существенно усложняет устройство и повышает его стоимость. Рядом отечественных и зарубежных фирм (таких как Март, Лега, Триада-ТВ,
Harris, Rhode&Schwarz и др. [5]) выпускаются передатчики, основанные на применении таких технологий. Синтезаторы, базирующиеся на ЦВС, отличает конструктивная сложность и высокая стоимость, что препятствует их массовому внедрению.
Основное преимущество ЦВС состоит в том, что выходная частота, фаза и амплитуда могут точно и быстро управляться с помощью цифрового процессора. Структурная схема ЦВС показана на рис. 1.2 [41 - 49]. Основные блоки: тактовый генератор (ТГ), фазовый накопитель (ФН), ПЗУ (для хранения отсчётов синусоидального сигнала), ЦАП и ФНЧ. . Цифровой вычислительный синтезатор
Достоинства ЦВС: очень высокое разрешение по частоте (мелкий шаг сетки), управление которым осуществляется в цифровом виде; быстрый переход с одной частоты на другую; - архитектура, основанная на ЦВС, ввиду очень малого шага перестройки по частоте, исключает необходимость применения точной подстройки опорной частоты, а также обеспечивает возможность параметрической температурной компенсации; - цифровой интерфейс позволяет легко реализовать микроконтроллерное управление; - полностью цифровой метод формирования несущей частоты и управления параметрами модуляции обусловливает высокую стабильность характеристик устройства в течение всего срока эксплуатации, исключает необходимость использования дорогостоящих прецизионных радиокомпонентов и кропотливой регулировки; - удобство введения сигналов передачи дополнительной комплексной информации; - точная установка номинальной девиации на любой частоте обеспечивает точный уровень пиковой модуляции по служебным данным, содержащимся в модулирующем цифровом потоке.
Алгоритмы формирования управляющей последовательности дельта-сигма модулятора
Перейдем к рассмотрению алгоритмов формирования управляющей ДДПКД программной последовательности - алгоритмам работы ДСМ.
На рис.2.3 представлен алгоритм, описывающий работу ДСМ первого порядка. В результате выполнения алгоритма формируется последовательность сигналов переполнений n[j]. На рис.2.3 использованы следующие обозначения: х - исходные данные, поступающие на ДСМ, А - текущее состояние накапливающего сумматора (исходное - нулевое), OF1 - флаг переполнения (изначально - нулевой), N - длина формируемой последовательности, Е -емкость накапливающего сумматора.
Перед непосредственным поступлением на ДСМ данные проходят стадию формирования кодового слова, которая может быть описана определенными математическими операциями [55, 70, 71].
Операции формирования кодового слова: round (х-Е) = ]х\Е[ - умножение на емкость накапливающего сумматора с последующим округлением в сторону ближайшего целого. Полученная таким образом кодовая последовательность поступает на ДСМ, стартующий с нулевых начальных условий (А=0, OF 1=0).
Как отмечалось ранее, ДСМ представляет собой тактируемый накапливающий сумматор с пороговым значением равным своей емкости, работа которого описывается арифметическими и логическими операциями. Для формирования последовательности, управляющей коэффициентами деления ДДПКД, на каждом такте происходит накопление (А=А+х) и последующее сравнение с емкостью сумматора. Если текущее значение меньше емкости, флаг переполнения OF1 = 0 в течение всего такта, и коэффициент деления ДДПКД на данном такте не изменится (останется таким же, как на предыдущем), а текущее значение сумматора остается неизменным до следующего такта. Если, после выполнения операции накопления (А=А+х), текущее значение сумматора превосходит его емкость, выполняется операция вычитания (А = А - Е разность текущего значения и емкости), флаг переполнения OF1 = 1, коэффициент деления ДДПКД на данном такте изменится на единицу. Далее процесс повторяется, в результате чего формируется последовательность определенной длины (N), которая изменяет коэффициент деления ДДПКД.
При подаче модулирующего сигнала, наряду с сигналом управления частотой, текущие значения сумматора могут быть как положительными, так и отрицательными. Для этого в схему алгоритма (рис.2.3) вводится тракт обработки отрицательных значений (А -Е). Представление отрицательных чисел разрешается следующим образом. В микросхемах СЧ [32-34] на вход ДСМ поступает я-битное кодовое слово, определяющее «исходные данные».
Например, при использовании смещенного двоичного кода, 16-битное кодовое слово позволяет задать числа от -32767 до 32768; двоичный дополнительный код может представлять числа от -32768 до 32767.
Алгоритм, описывающий работу ДСМ второго порядка, представлен на рис.2.4. Структурная схема ДСМ второго порядка показана на рис. 1.18. Алгоритм (рис.2.4) отличается от алгоритма (рис.2.3) дополнительным трактом, описывающим процесс накопления данных вторым накапливающим сумматором, также стартующим с нулевых начальных условий (А 1=0, OF2=0), (А1=А1+А, где А - содержимое первого накапливающего сумматора).
В образовании последовательности программного изменения коэффициентов деления ДДПКД участвуют сигналы переполнения первого и второго аккумулятора (OF 1, OF2), а также сигнал OF2, прошедший задержку на такт (OF2J.
Аналогично можно получить алгоритмы ДСМ и более высоких порядков. В общем случае структуру алгоритма можно условно разделить на два тракта -анализа текущего состояния аккумулятора и формирования переполнений. Фактически тракт анализа текущего состояния аккумулятора представляет собой операцию суммирования по модулю Е, где Е - емкость аккумулятора, а тракт формирования переполнений - нелинейную операцию квантования.
Исследование частотных и спектральных характеристик возбудителя
Проведем исследование частотных и спектральных характеристик с целью получения параметров системы, при которых подавление шумов и побочных компонентов достигает заданного в [6, 8] уровня.
Одним из основных элементов системы ИФАПЧ является петлевой ФНЧ, параметрами которого определяются как уровени подавления шумов и помех системой, так и неравномерность в полосе. Широкое применение в системах автоматической подстройки частоты получил пассивный RC фильтр [13, 86-88] (рис.3.2).
При этом, в большинстве известных схем порядок петлевого фильтра сравнительно невысокий (второй-третий). Это, чаще всего, позволяет обеспечить заданное время переходных процессов в системе при приемлемом уровне внеполосных излучений. Именно поэтому петлевые фильтры второго-третьего порядков получили наибольшее распространение, например, в системах радиосвязи [89-91].
Рассмотрим основные модели системы ИФАПЧ - дискретную и непрерывную [10, 13, 86-88]. На рис.3.3.а представлена АЧХ замкнутой системы ИФАПЧ, дискретной модели, с петлевым RC фильтром второго порядка, на рис.3.3.б - непрерывной модели.
В данном примере частота сравнения в дискриминаторе системы ИФАПЧ совпадает с частотой обновления данных ДСМ со стереокодера (500 кГц). В возбудителе фирмы Harris [52], построенном на базе ЦВС, цифровой поток данных поступает на цифровой модулятор (ЦВС) с частотой 500 кГц, что приводит к дискретным побочным составляющим в спектре выходного радиосигнала. При формировании радиосигнала в системах косвенного синтеза было бы удобно совместить частоту сравнения (дискретизации) системы с частотой поступления данных на ДСМ со стереокодера. Таким образом, возможно устранить дискретные побочные компоненты в спектре выходного радиосигнала, обусловленные биениями частот - тактовой и обновления (поступления). Однако, в этом случае в полосе КСС не выполняются требования на допустимую неравномерность АЧХ системы (рис.3.4).
Следовательно, при небольших N (100...200) шумы ИЧФД, одного из наиболее интенсивных источников шума в системе, и ЭГ возрастут незначительно. Таким образом, с целью получения приемлемых шумовых характеристик, предлагается увеличить частоту сравнения в дискриминаторе системы ИФАПЧ до 20 МГц, что является легко реализуемым в СЧ с ДСМ [33, 34, 54, 55]. Очевидно, что при таких частотах сравнения целесообразен переход от дискретной модели системы ИФАПЧ к непрерывной.
На рис.3.7.а-г представлена АЧХ замкнутой системы ИФАПЧ с петлевым RC фильтром второго порядка, а также спектры испытательного КСС, прошедшего ДСМ второго - пятого порядков соответственно и обработанного системой ИФАПЧ. В данном примере: fcp = 20 МГц, FryH = 1500 МГц, Кд = 5 МА/2ТЕ, SryH = 2л-80 МГц/В, N = FryH/fcp, CI = 5,1 нФ, С2 = 1,3 мкФ, R2 = 130 Ом. Видно, что требования на подавление дискретных побочных компонент (рис.3.7) и допустимую неравномерность (рис.3.8) выполняются. Система устойчива - запас по фазе более 60 (рис.3.10).
На равномерность АЧХ существенно влияет цепочка R2C2, определяющая корень числителя («ноль») передаточной функции петлевого ФНЧ: 1 + S-R2-C2 Z(s) = - , (3.3) s -Cl-C2-R2 + s-(Cl + C2) нули числителя: fz = - 1/27T-R2-C2 = - 941,74 Гц (для получения малой неравномерности желательно выбирать fz ближе к нулю); нули знаменателя (полюса) - корни квадратного уравнения: flp = 0, 2р = - {(CI + С2) / C1-C2-R2J/27C = - 240994,45 Гц.
Дополнительный выигрыш (25 дБ при N =18) в подавлении шумов и побочных компонент может быть получен при переносе радиосигнала в рабочий диапазон (рис.3.11).
Видно, что применение петлевого фильтра второго порядка позволяет выполнить требования на предельно допустимое подавление шумов ДСМ системой с ДСМ третьего и более высокого порядков (рис.3.П.б-г). Таким образом, вклад шумов ДСМ в выходной сигнал СЧ весьма незначительный.
Как уже упоминалось, одним из наиболее интенсивных источников шума в системе является дискриминатор
Методика проектирования СЧ с ДСМ
Основываясь на материале предыдущих разделов, целесообразно создать методику технического расчета и рассмотреть особенности практической реализации стереофонического возбудителя ОВЧ-ЧМ радиовещания на основе системы ИФАПЧ с ДСМ в цепи обратной связи. К основным техническим характеристикам возбудителя можно отнести: диапазон рабочих частот; шаг сетки частот; уровень дискретных компонент в спектре выходного сигнала; уровень шумовых компонент в спектре выходного сигнала; допустимая неравномерность АЧХ тракта формирования радиосигнала; дополнительный выигрыш, получаемый при переносе радиосигнала в диапазон, предназначенный для радиовещания; масса, габариты, стоимость, технологичность.
Современная реализация СЧ осуществляется на готовых микросхемах. Внешними элементами, подключаемыми к ИМС, являются ЭГ, петлевой фильтр, ГУН. Следовательно, цель технического расчета - подобрать параметры ИМС и внешних устройств.
1. Определение минимально необходимой разрядности ДСМ из расчета обеспечения требуемого для радиовещания динамического диапазона (70 дБ) - 12 разрядов.
2. Определение частоты обновления данных ДСМ со стереокодера:
производительность ЦСП, на котором формируется КСС - Fncn [72-77]; частота ввода данных в ИМС СЧ с ДСМ - FB; n = {І/Fncn} / { 1/ FB } - разрядность ДСМ; при Fncn = 2 МГц, п = 10 (см. 1); при Fncn = 1 МГц, n = 20. Частота ввода данных определяется конкретной моделью СЧ с ДСМ.
3. Определение рабочего диапазона ГУ На с учетом последующей операции деления частоты для переноса в диапазон, предназначенный для радиовещания.
4. Выбор структуры петлевого фильтра (если это необходимо).
5. Выбор модели цифрового потенциометра токозадающих ключей ИЧФД для компенсации неравномерности коэффициента усиления по диапазону.
6. Проведение инженерного расчета с использованием разработанного комплекса программ (Приложение 2):
6.1. частотных характеристик системы (при максимальном отклонении пассивных элементов петлевого фильтра от своих номиналов неравномерность АЧХ замкнутой системы ИФАПЧ не должна превосходить значения ±0,25 дБ на частоте кГц);
6.2. шумовых характеристик системы (установлено [41], что в полосе КСС уровень шумов не должен превосходить величины -80 дБ); при этом должны выполняться требования к уровню шумовых компонент в дальней зоне;
6.3. длительности переходных процессов в системе ИФАПЧ (для удобства эксплуатации желательно, чтобы длительность переходных процессов не превосходила нескольких секунд).
Как упоминалось во введении, устройство формирования радиосигналов, возбудитель, должно включать синтезатор частот, частотный модулятор, стереокодер, кодер RDS. Исследование и разработка методов формирования КСС вместе с сигналами передачи дополнительной информации RDS подробно рассматривались в [97]. Таким образом, целью создания макета является: создание цифрового тракта формирования радиосигнала, т. е. синтезатора частот, сочетающего функции частотного модулятора; усовершенствованный метод формирования RDS, обусловленный более высокими частотами дискретизации сигналов передачи дополнительной информации.
