Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ работы системы фильтрации с возвратным гетеродинированием 14
1.1. Современное состояние техники СФВГ. Формулирование задач исследования 14
1.2. Обзор систем фильтрации с возвратным гетеродинированием. Классификация 24
1.3. Параметры СФВГ н управление ими 32
1.4. Методы исследований и анализа СФВГ 39
1.5. Анализ прохождения деіерминированньїх сигналов через СФВГ 42
1.6. Выводы к главе 1 52
2. Исследование возможности повышения уровня динамического диапазона СФВГ 53
2.1. Постановка задачи 53
2.2. Определение максимальною динамического диапазона СФВГ 54
2.3. Анализ и уточнение методики каскадирования СФВГ 60
2.4. Разработка алгоритма для расчета оптимальных коэффициентов передачи каскадов в СФВГ 68
2.5. Особенности распределения коэффициента усиления по каскадам 74
2.6. Выводы к главе 2 78
3. Компенсация частотных и фазовых флюктуации гетеродинов СФВГ 79
3.1. Постановка задачи исследований 79
3.2. Спектральный состав шумов автогенераторов 80
3.3. Анализ основных причин, определяющих степень компенсации частотных и фазовых флюктуации сигнала гетеродина вСФВГ 83
3.4. Количественная оценка компенсации частотных и фазовых флюктуации сигнала гетеродина СФВГ 86
3.5. Имитационное моделирование компенсации фазовых шумов гегеродина.91
3.6- Итерационный никл определения оптимальной величины линии задержки 97
3.7. Оценка показателя эффективности компенсации в режиме регулировки полосы пропускания в СФВГ 101
3.8. Выводы к главе 3 102
4. Экспериментальные исследования СФВГ 104
4.1. Структурная схема лабораторной установки 104
4.2 Методика измерений и исследований 109
4.2.1. Программа исследований 109
4.2.2. Методика измерений фазового шума 109
4.2.3. Методика оценки индекса угловой модуляции 111
4.2.4. Методика оценки глубины паразитной амплитудной модуляции 113
4.3. Результаты эксперимента 114
4.3.1. Измерение эффективности компенсации ПФМ сигната гетеродина 114
4.3.2. Измерение эффективности компенсации ПФМ сигнала гетеродина 120
4.3.3. Результаты измерения мощности ФШ на выходе макета при шумовом модулирующем сигнале гетеродина 122
4.4. Выводы к главе 4 126
5. Применение цифровых устройств при проектировании СФВГ 128
5.1. Цифровая реализация узлов СФВГ 128
5.2. Сфуктурная схема и состав цифровой части СФВГ 130
5.3. Оценка временной задержки в ЦФОС 132
5.4. Оценка возможности применения синтезаторов с ФАПЧ 134
5.5. Выводы к главе 5 136
Заключении 137
Литература 140
Приложение 1 149
Приложение 2 150
- Обзор систем фильтрации с возвратным гетеродинированием. Классификация
- Анализ и уточнение методики каскадирования СФВГ
- Анализ основных причин, определяющих степень компенсации частотных и фазовых флюктуации сигнала гетеродина вСФВГ
- Измерение эффективности компенсации ПФМ сигната гетеродина
Введение к работе
Актуальность проблемы. Постоянное развитие элементной базы, методов компьютерного проектирования, радиотехнических контрольно-измерительных средств позволяют проектировать сложные системы фильтрации (СФ) и решать с их помощью новые научно-технические задачи.
Проблема фильтрации сверхвысокочастотных сигналов, а также многие задачи по созданию современных и эффективных СФ всегда были и остаются актуальными и относятся к числу основных в радиотехнике. К таким задачам можно отнести создание полосовых фильтров с заданными характеристиками и плавно регулируемой полосой пропускания с большим коэффициентом перекрытия, построение которых связано с техническими трудностями. Для достижения высококачественных характеристик и улучшения фильтрующих свойств СФ необходима сложная, многопараметрнче-ская оптимизация их параметров.
Одним из возможных способов решения перечисленных задач является использование метода фильтрации, основанного на возвратном (двух или многократном) гетеродиннровании (ВГ). Селективные устройства, в которых применяется этот метод, называются в литературе системами фильтрации с возвратным гетеродинированием (СФВГ).
Основоположником данного метода фильтрации можно считать В.И. Юзвинского, предложившего его еще в 1941 г. Метод получил большое распространение в радиотехнике и нашел применение в трактах промежуточных частот радиоприемных устройств, синтезаторах частоты, в системах фильтрации.
Несмотря на широкое распространение СФВГ, поиск современных инженерных решений, направленных на совершенствование технических характеристик, повышение их эффективности, является актуальной научно-исследовательской задачей.
Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями. Метод В.И. Юзвинского был применен и существенно развит в работах и изобретениях, реализующих СФ с возможностью плавной регулировки полосы пропускания. Наиболее важные теоретические и практические результаты были получены в работах В.А. Левина, Г.А. Норкина, А.А. Паина, Д.Н. Шапиро, B.C. Мостыко.
В иностранной литературе метод ВГ встречается под названием «drift -cancel loop», где заслуживают рассмотрения результаты исследований Б. Голдберга, Б. Кади, В. Манасевича, У. Роде.
Анализ текущих исследований в области СФВГ показывает, что существует актуальная научно-техническая проблема поиска инженерных решений, направленных на повышение эффективности СФ и совершенствование её технических характеристик.
Объект исследования - многокаскадная система полосовой фильтрации, построенная на основе возвратного гетеродинирования.
Предмет исследования - подлежащие возможному улучшению технические характеристики системы: динамический диапазон и коэффициент компенсации.
Цель работы - повышение динамического диапазона и улучшение компенсационных свойств СФВГ путем оптимизации структуры и выбора оптимальных параметров узлов системы.
Задачи исследования
-
Систематизация и анализ ранее проведенных исследований СФВГ, их структурная классификация.
-
Математическое описание частотного и-кратного преобразования сигналов в СФВГ.
-
Анализ прохождения радиосигналов через цепи СФВГ. Оценка полученных искажений, анализ возможности применения квазигармонического и спектральных методов к решению данных задач.
-
Исследование возможности достижения максимального динамического диапазона (ДЦ) посредством выбора оптимальных параметров каскадов. Разработка алгоритма расчета оптимальных коэффициентов передачи каскадов СФВГ. Уточнение методики каскадирования многокаскадных устройств. Обобщение правил каскадирования.
-
Исследование влияния подключения линии задержки (ЛЗ) в СФВГ на улучшение компенсационных свойств.
-
Определение оптимальной величины линии задержки и уточнение методики расчета коэффициента компенсации для цепи фильтра основной селекции (ФОС) с нелинейной фазочастотной характеристикой (ФЧХ).
-
Компьютерное имитационное моделирование (ИМ) и экспериментальные исследования СФВГ. Сравнительный анализ полученных экспериментальных и теоретических результатов.
-
Анализ возможности применения методов и принципов ЦОС в СФВГ.
Методы исследований. Перечисленные задачи решены следующими методами: спектрального анализа, квазигармоническим методом, с помощью теории радиоприема, инженерных расчетов с применением прикладных пакетов - MathCAD, AppCAD, Matlab. Часть результатов в работе получена с использованием вычислительных алгоритмов, реализованных в виртуальной среде Lab VIEW. Компьютерное имитационное моделирование работы СФВГ выполнено с помощью прикладного пакета Microwave Office.
Научная новизна и новые научные результаты
1. Обобщена и систематизирована информация о применении метода ВГ для приема, формирования и обработки радиосигналов.
-
Получены аналитические выражения для расчета оптимальных коэффициентов передачи в СФВГ, обеспечивающих максимальный динамический диапазон. Разработан пошаговый алгоритм расчета коэффициентов, и разработано его реализующее программное обеспечение. Программное обеспечение зарегистрировано в Федеральном институте промышленной собственности (ФИПС), свидетельство № 2011612431 от 23.03.2011 г.
-
Уточнена методика каскадирования для достижения максимально возможного динамического диапазона.
-
Улучшены компенсационные свойства СФВГ с помощью введения липни задержки. Предложен итерационный цикл вычислений оптимальной величины ЛЗ при моделировании и проектировании СФВГ по критерию максимума показателя эффективности компенсации.
-
Проведено компьютерное ИМ работы СФВГ в прикладных пакетах Microwave Office и LabVIEW.
-
Выполнены экспериментальные исследования, подтверждающие достоверность полученных теоретических выражений, и предложены практические рекомендации по улучшению технических характеристик СФВГ.
-
Рассмотрено применение принципов ЦОС при реализации отдельных узлов СФВГ.
Практическая значимость и реализация результатов работы
-
Для достижения максимального динамического диапазона многокаскадной СФВГ решена задача определения оптимальных коэффициентов передачи каждого каскада. Составлен пошаговый алгоритм, и разработано программное обеспечение для расчета данных коэффициентов.
-
Получен ряд необходимых и достаточных условий каскадирования для достижения следующих целей: максимального динамического диапазона, минимальной шумовой температуры или минимальных нелинейных искажений.
-
Предложен итерационный цикл вычислений времени задержки ЛЗ для улучшения компенсационных свойств СВФГ. Получены практические выражения для расчета коэффициента компенсации с учетом влияния нелинейности ФЧХ фильтра основной селекции. Произведена практическая проверка полученных выражений при проведении моделирования и экспериментов.
-
Результаты диссертационной работы использовались в разработках систем фильтрации, применяемых:
в аппаратуре трансляции телевизионного сигнала для системы кабельного телевидения - ОКР «Магастральный избирательный усилитель» в ООО «СВЧ-Радносистемы» (Санкт-Петербург);
в ОКР «Жасмин-СПВ-ТА» устройства фильтрации радиопомехи для когерентного компенсатора на основе метода возвратного гетеродин ирова-ния в ООО «Специальный технологический центр» (Санкт-Петербург);
- в НИР «Караван-2», «Караван-3» при реализации системы фильтрации с возвратным гетеродпннрованпем, выполненных ФГУП «РНИИРС» (г. Ростов на Дону).
Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались и получили одобрение: на 56, 57, 58, 63-й НТК СПбГУТ (Санкт-Петербург, 2004-2011); на международном форуме «Новые инфокоммуни-кационные технологии: достижения, проблемы, перспективы», посвященном 50-летию НЭИС СпбГУТИ (г. Новосибирск, 2003); на ежегодной Всероссийской НТК, посвященной 112-й годовщине Дня радио (г. Красноярск, 2007); на 3-й Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (г. Липецк, 2011).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 13 печатных работах, включая 5 публикаций в виде тезисов докладов, 7 статей, из них 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, а также заявке на регистрацию программы, по которой получено свидетельство № 2011612431.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка литературы и двух приложений. Основная часть работы содержит 148 страниц текста, 64 рисунка, 9 таблиц, включает 108 наименований литературы.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Предложенная методика вычисления оптимальных коэффициентов передачи в СФВГ позволяет определить такие коэффициенты передачи, при которых достигается максимальный динамический диапазон всей системы фильтрации.
-
Программа расчета оптимальных коэффициентов передачи, созданная на основе предложенной методики, является пригодной для проведения исследований и решения более широкого круга научных задач.
-
Применение методики каскадирования позволяет реализовать СФВГ с наибольшим динамическим диапазоном. Предложенные правила каскадирования позволяют избежать снижения ДД при построении многокаскадной структуры системы фильтрации.
-
Разработанный итерационный цикл вычислений времени задержки ЛЗ позволяет определить оптимальное ее значение с точки зрения наибольшей компенсации фазовых шумов гетеродина в СФВГ.
Обзор систем фильтрации с возвратным гетеродинированием. Классификация
В работе М. Янагихара и Т. Имура [79] приводится описание СФ с изменяемой центральной частотой и регулируемой полосой пропускания. СФ реализован на основе метода трехкратного ВГ.
В работе К. Акиямы [41] представлена супергетеродинная цепь с двумя преобразователями частот, позволяющая регулировать 1111 и сдвигать центральную частоту настройки этой цепи.
Одно из интересных применений СФВГ приведено в работе К. Даикоки [84], Здесь запатентован метод компенсации паразитной частотной девиации полезною ЧМ сигнала и пилот тона. Приведен анализ работы устройства, реализующий данный метод, дана качественная оценка выигрыша в соотношении сигнал/шум. Развитие микроэлектроника н мнкрополосковых технологий позволило перенести методы фильтрации с ВГ в область СВЧ. В работе [77] Т. Сашихиро Предлагает активный полосовой СВЧ фильтр с диапазоном электронной перестройки рабочей частоты от 2 до 16 ГГц и переменной полосой пропускания от 20 до 800 МГц. В фильтре применяется четыре смесителя, два перестраиваемых гетеродина, два ФНЧ, один ФВЧ, и три активных полосовых усилителя. Между последовательными преобразователями чаетоты в сигнальном тракте включен ФНЧ, а после преобразователей - усилитель с полосой 1 - 4,5 ГГи. Управление полосой пропускания в пределах 20-800 МГц осуществляется за счет включения второй пары преобразователей с обшим перестраиваемым вторым гетеродином, но с ФВЧ и полосовым усилителем между преобразователями. С помощью выходных ФНЧ полосового усилителя подавляются побочные продукты преобразования и компенсируются потери. При настройке усилителей на полосу ] — 4,5 ГГц фильтр работает в поддиапазонах входных сигналов 2-4 ГГц и 8 - 16 ГГц, при полосах пропускания обоих усилителей 3 8,5 ГГц.
В работе А.Л. Кудьского [25] предлагается узкополосный УПЧ на основе фильтра с ВГ. В работах К. Попова [99J и В.В. Тетюрюка [104] предложены подобные УПЧ, в основу работы которых заложен метод ВГ. Основное отличие рассматриваемых схем заключается в использовании различной элементной базы. Приводятся схемы и рекомендации по макетированию устройств.
В работе Г.В. Гончара [26] изложены результаты разработки перестраиваемого режекторного фильтра. В основу фильтра заложен метод ВГ, однако ФОС оснащен дополнительными узкополоснымн режекторными цепями. Отмечается хорошая эффективность применения устройства при приеме CW-сигналов.
В работе Э, Элизондо [78] рассматривается перестраиваемый полосовой фильтр с четырехкратным ВГ и цепями формирования сигналов гетеродина. В фильтре предусмотрены регулировки ПП и рабочей частоты. Приведены структурные схемы и рисунки, поясняющие работу фильтра. Основным отли чием or предложенной схемы в [77] является использование в качестве цепей ФОС полосовых фильтров, а не ФНЧ и ФВЧ. В работе Д. Бексриха [85] запатентован перестраиваемый полосовой фильтр с трехкратным преобразованием по частоте. Фильтр имеет возможность регулировки ПП. Предусмотрен выбор фильтрации верхней боковой полосы, нижней боковой полосы или всего спектра полезного сигнала. Фильтр предназначен для использования в трактах 114 связных РПрУ. В фильтре используется четыре смесителя, два гетеродина и два различающихся по частоте настройки низкочастотных полосовых фильтра. Данная схема схожа по принципу действия с [78]. В работе П. Дубовица [80] разработан перестраиваемый преселектор РПрУ с возможностью компенсации узкополосных помех, принцип, которого заключается в использовании фильтрации методом ВГ в канале обработки помех. Приводится структурная схема устройства и краткое описание конструкции. Теоретические выкладки работы компенсатора не показаны. Работа этой схемы подробно описана НИ. Чистяковым в [35]. В зависимости от числа преобразований, СФВГ может содержать в себе достаточно большое число смесителей и усилителей, поэтому здесь возникает проблема сохранения высокого ДД всего устройства. Данная проблема актуальна для всех активных многокаскадных соединений. Основные результаты исследований, рассматривающие методику расчета ДД и правила каскадирования многокаскадного соединения, изложены в работах [93-96]. Проведенный обзор литературы по состоянию вопроса исследований СФВГ показывает: 1) СФВГ применяется в широких областях радиотехники. На основе проведенного анализа составлена структурная классификация СФВГ с точки зрения фильтруемых сигналов и применения в различных областях радиотехники (рис. ! .2). 2) Наиболее часто встречающейся в литературе задачей является разработка схемотехнических вариантов построения СФВГ. однако подробных исследований о возможности улучшения характеристик систем приводится крайне мало. Таким образом, на современном этапе развития теоретического и практического исследования систем ВГ возникает актуальная проблема, которая заключаются в совершенствование технических характеристик СВФГ. Данные проблема может быть разделена на следующие, основные направления исследований: - оценка возможности выбора оптимальных параметров каскадов СФВГ для достижения максимального динамического диапазона; - оценка вносимых искажений полезных сигналов, анализ воздействия различных видов радиосигналов на СФВГ; - улучшение компенсационных свойств системы, проведение исследований по улучшению компенсации паразитных флюктуации сигнала гетеродина; - оценка возможности подавления НАМ на выходе СФВГ вследствие возникновения ЧМ (ФМ) - ЛМ конверсии; - оценка помехоустойчивости работы СФВГ в условиях воздействия аддитивных и мультипликативных помех; - повышение избирательности по побочным каналам приема, исследование возможности применения в СФВГ смесителей, с фазовым подавлением побочных каналов, рассмотрение квадратурных схем; - проведение сравнительного анализа селективных свойств СФВГ и других типов перестраиваемых полосовых фильтров; - исследование возможности применения специальных критериев и цифровых методов управления ПП для СФВГ. Исходя из вышеперечисленных актуальных направлений исследований, которые не получили достаточно глубокого развития в исследованиях СФВГ, целью диссертационной работы является: повышение линамнческого диапазона и улучшение компенсационных свойств СФВГ путем оптимизации структуры и выбора оптимальных параметров узлов системы.
Анализ и уточнение методики каскадирования СФВГ
Применение оценки ЦФ вида (2.47) обусловлено выполнением математических требований по состоятельности, несмещенности и эффективности (60]. Поиск оптимальных значений к , будет считаться завершенным тогда, когда будет выполняться следующее неравенство вида: где г - номер итерации, ,,-) - значение ДД вычисленное вт -ой итерации, D m - значение ДД вычисленное при (Л 1) итерации, причем исходя из начальных условий DjopO, є — заданный параметр, определяющий требуемую степень точности значения экстремума ЦФ. Точка к , соответствует наилучшему в рамках выбранных критериев варианту распределения коэффициентов передачи по каскадам оптимизируемой СФВГ.
Рассмотрим основные существующие методы поиска экстремумов функций. Известно [60, 105], что методы поиска экстремума ЦФ можно разбить на градиентные и безградиентные. Метод градиентного анализа позволяет через частные производные найти вектор grad i , который указывает направление наискорейшего возрастания функции D =f{k,). Поскольку нахождение Градиента (2.53) на каждом шаге оптимизации связано с большими объемами вычислений производной, предпочтение отдается прямым методам поиска, основанным на вычислении только самой ЦФ.
Наиболее простой алгоритм - погрупповой метод последовательного поиска [60, 105]. Количество вычислений ЦФ при этом методе составит где п - число каскадов, М - шаг поиска. &,« - максимальный коэффициент передачи каскада. Метод слепого поиска реализует случайный перебор значений варьируемых параметров л-„ до тех пор, пока значение ЦФ не станет приемлемо малым. При этом в программе должно производиться моделирование случайной величины но одному из известных способов. При слепом поиске процесс обучения в системе отсутствует, так как каждый шаг обособлен от другого. В покоординатном методе (метод Гаусса-Зейделя) дискретно изменяется только параметр Х\ при постоянных значениях всех остальных параметров хп до тех пор, пока ЦФ не достигнет максимального значения. Полученное значение фиксируется, и в новом цикле начинается изменение параметра хз при неизмененных значениях остальных параметров и т.д., до изменения параметра XV. Данная процедура повторяется несколько циклов, в результате чего определяется вектор хот. Блок-схема алгоритма, реализующего покоординатный метод, приведена в приложении №). Предложенный метод. На основе полученного выражения (2.22) разработан алгоритм расчета оптимальных КП и реализован в виде ПО [49]. Суть его работы заключается в следующем: На первом шаіе оптимизации вычислялся КП первого каскада по (2.22) при остальных, заданных КП на начальных условиях. Далее полученный результат фиксировался и вычислялся КП второго каскада. После вычисления КП последнего каскада вычисляется ДД и далее цикл повторяется до тех пор, пока не будет выполняться неравенство (2.48). Блок-схема предложенного алгоритма расчета оптимальных KII приведена в приложении Х«2. С целью сравнительной оценки эффективности работы предложенного и существующих алгоритмов, было произведено компьютерное ИМ работы следующих алгоритмов: 1) предложенного; 2) последовательного поиска; 3) покоординатного (метод Гаусса-Зсйдсля); 4) слепого поиска. Данные алгоритмы реализованы в виде компьютерной программы в среде виртуального программирования пакета Lab VIEW 8.5. Сравнение произведем по двум критериям временной и вычислительной сложностью [73, 81]. Время выполнения алгоритма, как функция размера задачи, определим как временная сложность этого алгоритма. Под вычислительной сложностью понимается полученная путем суммирования по графу алгоритма совокупная сложность простейших операций. К простейшим операциям относится: умножение, сложение, пересылка (задержка). Сложность простейшей операции определяется произвольным образом, в зависимости от интерпретации конкретной задачи. Единственное требование в том, чтобы данная сложность была конечным числом. Используем известную [81] оценку показателя сложности алгоритма где, а„ - число элементарных действий, используемых в п-й операции; ус, уу и Уд-- относительная сложность операций суммирования, умножения и деления. Выражение (2.57) удобно для решения задач анализа показателей сложности, когда определена структура графа алгоритма, и, соответственно, известно число требуемых действий ап. Конкретные значения Ус 7 и уа определяются элементным базисом, используемым для реализации, и особенностями архитектуры процессора. Для пакета LabVIEW 8.5 и процессора Core 2 DUO Т5300 (компьютер ASUS F3J) данные коэффициенты составили ус=1. уу = 1,5 и Основные результаты сравнительною анализа ИМ алгоритма реализующего покоординатный метод и предложенного алгоритма приведены в таблице 2.7.
В [73, 81] отмечалось, что актуальность повышения эффективности работы алгоритмов значительна. С одной стороны, огромный рост вычислительной мощности компьютеров, вызванный глобальным развитием микроэлектроники и НТЛ, казалось бы, должен уменьшить значение эффективных алгоритмов. Однако, происходит в точности противоположное. Так как компьютеры работают все быстрее, и мы можем решать все большие задачи, именно сложность алгоритма определяет то увеличение размера задачи, которое можно достичь с увеличением скорости работы компьютеров.
Таким образом, сравнение эффективности алгоритмов по критериям оценки временной сложности и вычислительной сложности отражают эффективность работы алгоритмов. Предложенный алгоритм обладает меньшей вычислительной сложностью, требует меньших временных затрат, и не зависит от величины шага поиска КП.
Анализ основных причин, определяющих степень компенсации частотных и фазовых флюктуации сигнала гетеродина вСФВГ
В процессе разработки СФВГ на базе аналоговой схемотехники возникает ряд трудноразрешимых проблем. К таким проблемам относятся: 1. Аналоговые ФОС с большой селекцией обладают задержкой в сотни наносекунд и более, а для эффективной компенсации фазовых шумов (ФШ) [3] необходимо включение ЛЗ в структуру СФВГ с задержкой этого же порядка. Реализация такой ЛЗ в аналоговом виде ограничивается физической длинной радиокабеля. При реализации ЛЗ на основе ПАВ ограничивается диапазон рабочих частот гетеродина, что снизит коэффициент регулировки ПП системы. 2. Противоречия между высокой избирательностью полосовых фильтров и равномерностью их ХГВЗ. Дія компенсации отдельных спектральных составляющих необходимо иметь соответствующую величину задержки и линейную ХГВЗ ФОС, что требует наличия дополнительных фазовых корректоров или разработку специализированных фильтров с линеаризованной фазовой характеристикой. Применение Гауссовских фильтров с линейной ХГВЗ, в свою очередь приводят к ухудшению селективности СФВГ в целом. 3. Очевидное усложнение схемы при создании ФОС с регулируемыми параметрами и весьма сложная реализация адаптивной фильтрации в аналоговом виде. 4. Практическая трудность реализации, как режекторных, так и полосно-пропускающих гребенчатых фильтров с большой крутизной. Эти проблемы приводят к оценке возможности применения принципов ЦОС для реализации отдельных узлов СФВГ [58]. Рассмотрим реализацию отдельных узлов СФВГ на базе цифровой схемотехники. Современная цифровая обработка может быть реализована двумя основными направлениями построения ЦФ: с помощью программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) и с помощью цифровых процессоров обработки сигналов (ЦПОС, Digital Signal Processor - DSP). [71]. Однако, в настоящее время положение результатов реализации ЦФ, показывает, что наиболее оправдан подход к использованию именно ПЛИС за счет следующих преимуществ: а) высокая тактовая частота; б) большое число аппаратных интерфейсов по сравнению с ЦПОС ; в) возможность организации параллельной обработки данных; г) расширяемость устройства; л) возможность реализации на одной ІІЛИС как ЦФ, так и формирование управляющих команд для СЧ, делителей, организация цифровой ЛЗ.
Очевидно, что применение ЦФ с конечной импульсной характеристикой (КИХ - фильтров) более целесообразно по сравнению с ЦФ бесконечной импульсной характеристикой (БИХ - фильтров), так как они обладают равномерной ХГВЗ. всегда стабильны и с нх помощью, возможно, реализовать адаптивный алгоритм фильтрации. Загружаемая конфигурация 11ЛИС реализующая ЦФ может быть изменяемая, или с постоянными параметрами. При этом реализация ЦФ зависит только от вычислительных мощностей ПЛИС или с другой стороны вычислительной сложности алгоритма 71] фильтрации.
Таким образом, применительно к реализации ЦФОС в СФВГ целесообразнее использовать ІІЛИС за счет вышеперечисленных преимуществ. 2. Гетеродин в СФВГ возможно реализовать в виде синтезаторов на основе прямого синтеза частоты (DDS) с синхронизацией от одного опорного генератора (ОГ) или синтезатора на основе петли ФАПЧ с задержкой сигнала опорного кварцевого генератора (КГ) [106]. Так как одной из причин наличия ФШ на выходе DDS синтезатора является ФШ задающего ОГ, поэтому для его эффективной компенсации необходимо сигнал с выхода DDS синтезатора, при ВГ, задержать на время равное времени прохождения сигнала через цепи ФОС. Для этого возможно задерживать цифровой сигнал DDS на нужную величину с помощью цифровой ЛЗ (ЦЛЗ). Преимущества использования DDS [33, 68, 71] заключаются в высоком разрешении по частоте и фазе, перестройкой по частоте без разрыва фазы, гибкостью цифрового управления и возможностью установки фазы выхолного сигнала для формирования квадратурных каналов. Однако выходная частота современных DDS синтезаторов лежит в области сотен мегагерц, поэтому для ее увеличения, возможно, применять дополнительные умножители частоты в частности на основе ФАПЧ или смесители. В результате анализа особенностей реализации СФВГ, разработана блок схема цифрового фильтра с ИГ (рис. 5.1 Г І Ірежде чем полезный сигнал поступит на вход АЦП ему необходимо пройти цепи нормализации [71]. Данные цепи выполняют такие функции как усиление, ослабление и предварительная фильтрация. На структурной схеме для её упрощения данные каскады каскады не приведены, а только показаны селективные цепи. На основе [87] современных ПЛИС возможна реализация: ВИХ - фильтров, КИХ -фильтров, управление оцифровкой аналоговых сигналов, децимация, сдвиг по частоте (digital down conversion). В цифровой схеме СФВГ ПЛИС выполняет не только функции цифровой фильтрации, но и: а) управление работой DDS синтезаторов, делением и задержкой тактовой частоты; б) управлением выходной частоты синтезаторов; в) тактированием и управлением АЦП и ЦАП. Рассмотрим основные зависимости коэффициента прямоугольное КИХ - фильтра от числа коэффициентов требуемых для его реализации. В результате расчета ЛЧХ и количества соответствующих коэффициентов для динамического диапазона 96 дБ (16 бит) в пакете МЛ I LAB получено: В результате анализа кривых приведенных на рис. 5.3 нетрудно заметить, что наиболее целесообразно использовать КИХ - фильтр с числом коэффициентов .V=50-300, так как при меньшем числе коэффициентов селективность филыра быстро падает, а при увеличении числа коэффициентов резко возрастает время задержки при слабом приращении коэффициента прямо-угольности.
Измерение эффективности компенсации ПФМ сигната гетеродина
В результате анализа вопроса проектирования и использования систем фильтрации с ВГ сформулированы и решены задачи, позволяющие существенно повысить уровень динамических и компенсационных характеристик данных систем.
Проведена систематизация и анализ разрозненного материала по вопросам исследования СФ, использующих методы ВГ. Отмечены основные проблемные направления исследований СФВГ. Проведен анализ основных типов СФВГ и системотехнических особенностей их построения. На основе проведенного анализа дополнена существующая структурная классификация по иерархическим принципам и принципам принадлежности к обрабатываемым сигналам. Проанализированы методики исследовании СФВГ, рассмотрена адекватность их использования. Проведен анализ вариантов использования современных прикладных программ для проведения компьютерного ИМ Проведен комплексный обзор основных параметров и характеристик описывающих свойства СФВГ. Проанализированы неизбежные изменения ряда параметров в режиме регулировки полосы пропускания. Указана необходимость введения допустимых пределов для них. Проведены математические анализы частотного л-кратного преобразования сигналов в СФВГ и прохождения детерминированных радиосигналов через цепи СФВГ, таких как AM, ЧМ - сигнал. Получена опенка вносимых искажений, квазигармоническим и спектральным методом. Исследованы возможности достижения максимального ДД благодаря выбору оптимальных параметров каскадов. Получено аналитическое выражение для К11 в СФВГ для достижения максимально реализуемого ДД. Предложен алгоритм поиска оптимальных K1I на основе аналитического выражения. Произведено сравнение работы алгоритмов по показателю вычислительной и временной сложности. Показано, что на выполнение предложенного алгоритма требуется меньше вычислительных и временных затрат в сравнении с алгоритмами: Гаусса-Зейделя, слепого поиска, прямого перебора и он не зависит от размера шага поиска КП. Отмечена особенность распределения КП по каскадам при необходимости регулировки общего КП. Установлено, что ДД снижается меньше, если усиление распределить по крайним каскадам, и больше если по центральным. Проанализированы и уточнены существующие правила методики каскадирования. Даны рекомендации по использованию принципов каскадирования. Проведен анализ причин, оказывающих влияние на эффективность компенсации ФШ. К этим причинам относятся: а) разное время прохождения сигнала по цепям ОТФ и ВТФ; б) искажение закона изменения мгновенной частоты и мгновенной фазы колебания; в) изменение амплитуды полезного частотного отклонения в зависимости от модулирующей частоты; г) возникновение паразитной AM (ЧМ-АМ конверсия).
Проведен математический анализ процесса компенсации частотных флюктуации сигнала гетеродина. Отмечено, что на выходе схемы СФВГ ГІЧМ сигнала гетеродина переходит в ФМ полезного сигнала. При ПФМ сигнала гетеродина, на выходе СФВГ индекс ФМ полезного сигнала пропорционален модулирующей частоте ІІ и разности времени прохождения сигнала по цепям ОТФ и ВТФ. Уточнено выражение для расчета коэффициента компенсации ПУМ на выходе СФВГ для ФОС с нелинейной ФЧХ.
Для повышения эффективности компенсации рекомендуется: I) проектировать ФОС с минимальным возможным временем задержки; 2) осуществлять задержку сигнала гетеродина на величину задержки в цепях ФОС за счет размещения JI3 на гетеродинном входе смесителя выполняющего роль ВГ. В результате ИМ установлено, что наиболее эффективно и целесообразно применение ФОС с равномерной ХГВЗ, однако в случаях, когда ФОС имеет неравномерную ХГВЗ, необходимо использовать фазовые корректоры.
Разработан итерационный цикл расчета времени задержки ЛЗ. Предложен показатель эффективности компенсации, как критерий выбора величины ЛЗ при проектировании СФВГ. Показано, что введение ЛЗ в схему позволило получить выигрыш в эффективности компенсации в 10 - 15 дБ.
Проведена оценка степени компенсации частотных и фазовых флюктуации сигнала гетеродина на выходе СФВГ. Проведены измерения КК паразитной угловой модуляции сигнала гегеродина. Теоретическая оценка КК производилась на основе ранее полученных выражений. В результате эксперимента получено практическое подтверждение: а) факта изменения вида модуляции сигнала гетеродина на выходе СФВГ; б) существенного влияния на степень компенсации разности времени прохождения сигналов по цепям ОТФ и ВТФ. Получены оценки повышения эффективности компенсации частотных, фазовых флуктуации при выравнивании ГВЗ ФОС и ВТФ, посредством подключения ЛЗ. В ходе экспериментальных исследований зафиксировано на выходе СФВГ наличие паразитной AM, вызванной ЧМ (ФМ)-АМ конверсией и не зависящей от соотношения времени прохождения сигналов по цепям ОТФ и ВТФ. Отмечено, что на уровень ПАМ существенно влияет уровень сигнала на гетеродинном входе смесителей. Сравнительный анализ полученных данных подтвердил совпадение основных результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Рассмотрено применение принципов ЦОС при реализации отдельных узлов для получения цифровой СФВГ. Оценена возможность реализации отдельных узлов СФВГ" на базе цифровой схемотехники. Произведены расчеты параметров КИХ - фильтров и общей задержки цепи ЦФОС. Проведено компьютерное ИМ для двойного синтезатора на основе ФАПЧ с синхронизацией от одного ОГ. Предложена реализация СФВГ на ПЛИС. Отмечено, что эффект компенсации ФШ проявляется с разной степенью в зависимости от места расположения ЛЗ. Так, например, наибольший эффект компенсации достигается при включении ЛЗ на выход одноканальною синтезатора на основе ФАПЧ.
