Создание частотного радиодальномера с цифровым анализатором спектра сигнала биений, страница 4

    При таком способе определения расстояния с помощью частотного дальномера потребуется вычислять ДПФ с количеством точек:

,

где    метра – заданная точность измерения расстояния.

    При использовании алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ) для получения 2048 частотных отсчётов потребуется:  раз выполнять базовую операцию умножения двух комплексных чисел.

    Решение этой задачи современными микропроцессами (МП) потребует наличие большого оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и времени для получения оценки расстояния. Реализация алгоритма в реальном масштабе времени потребует очень больших аппаратных затрат.

    Сглаженную оценку  частоты сигнала (измеряемого расстояния) можно получить при большем расстоянии между отсчётами ДПФ. Сглаживание оценки частоты сигнала конечной длительности  (рис.5.1) тогда  получается при нахождении “центра тяжести ” дискретного спектра концентрирующегося вокруг частоты , по аналогии нахождения математического ожидания случайного процесса по его плотности распределения вероятности. Отличие заключается лишь в ненормированности спектральных составляющих.

    Как уже отмечалось, закон изменения огибающей спектра сигнала зависит от вида выделяющей функции. Из-за конечного объёма выборки все огибающие имеют бесконечную частоту протяжённость. Однако определить “центр тяжести” функции  можно, оперируя её значениями в пределах интервала . Для спектрального случая этому интервалу соответствует . Тогда оценка частоты сигнала (рис.5.1а):

,                              5.11

где  - отсчёты спектра,

 - количество отсчётов в указанном интервале:

,                                       5.11а

где - функция выделения целой части.                                   

    Очевидно, что максимальная ошибка оценки будет при максимальном удалении ближайших отсчётов ДПФ от  - . Возвращаясь к функции , при минимальном количестве отсчётов – двум – в интервале  они отстоят друг от друга на расстоянии  и имеют соответственно ,  и значения по . Тогда оценка “центра тяжести” :

.                       Из результатов этого примера следует, что точность оценки зависит от точности получения значений частотных отсчётов. Чем больше отсчётов частоты внутри интервала частот , тем требования к точности получения значений этих отсчётов будут менее  жёсткими.

    Увеличить количество отсчётов частоты в указанном интервале можно двумя способами:

1)  увеличением частоты дискретизации, при этом уменьшится расстояние между отсчётами  , но для получения всего спектра, соответствующего расстояниям то  до , потребуется выполнение БПФ с большим количеством точек;

2)  уменьшением  (рис.5.1в-е) по сравнению с общим временем представления сигнала , однако при этом необходимо учитывать расширение спектра.

    В частотном дальномере перед подачей сигнала  разностной частоты на АЦП он должен пройти через амплитудный ограничитель (АО). Необходимость уравнения амплитуд сигналов, отраженных от разных расстояний, заключается в том, чтобы использовать максимальное количество уровней квантования для оцифровки сигнала. При прохождении через АО сигнал разностной частоты приобретает в состав своего спектра составляющие с нечётными гармониками, значения которых зависят от величены ограничения. Чем больше ограничение гармонического сигнала, тем больший вес приобретают нечётные гармоники его частоты.

    Из выше изложенного можно сделать следующие выводы:

1)  В частотном дальномере сигнал разностной частоты можно представить его цифровым эквивалентом.

2)  Цифровой анализатор спектра (ЦАС) сигнала с постоянным периодом на протяжении интервала представления  при использовании дополнительного алгоритма – определения “центра тяжести” спектра – способен определить его частоту с высокой точностью.

3)  Применение ЦАС в частотном дальномере даёт возможность сглаживания дискретной ошибки частотного дальномера  без усложнения схемы, содержащей СВЧ- элементы, и с сокращением схемы низкой частоты обработки сигнала (рис.5.2) по сравнению со схемой частотного дальномера[2] с дополнительной медленной фазовой модуляцией сигнала разностной частоты.

    На микропроцессорную систему (МПС), помимо основных арифметико-логических функций над данными, можно возложить дополнительные обязанности. Например, МП способен программным образом задать частоту модуляции, тем самым исключить из принципиальной схемы автогенератор частоты модуляции. Эта частота будет достаточно стабильной, т.к. работа МП синхронизируется обычно кварцевым генератором.

    Разработка МПС начинается с выбора МП. После чего к нему пишется программное обеспечение, попутно конкретизирующее дополнительные аппаратные средства (ПЗУ, ОЗУ, различные контроллеры и вычислители), решающее поставленную задачу. Все это может закончиться большой МПС, напоминающей персональную ЭВМ. Решение одних и тех же задач возможно как аппаратным, так и программными средствами, а также их сочетанием. Нахождение компромисса реализации алгоритма между программными средствами и аппаратными средствами является основной задачей синтеза структуры МПС. Если компромисс не найден следует вновь осуществлять выбор МП.

    Для примера разработки частотного дальномера, реализующего сглаживание дискретной ошибки анализом спектра сигнала разностной частоты в цифровом виде, была выбрана, в качестве сердца МПС, микроЭВМ КР1830ВЕ51, реализованная в пластмассовом корпусе с 40 выводами. Микросхема КР1830ВЕ51 имеет встроенный тактовый генератор, центральный процессор, ПЗУ объёмом 4 кбайта, ОЗУ объёмом 128 байта (32 из которых являются регистрами общего назначения), 4 восьмиразрядных порта вода вывода. ЦП реализует функцию умножения  двух восьмиразрядных чисел без знака за 4 машинных цикла (при тактовой частоте =12МГц – это 4мкс). МикроЭВМ выполнена по КМПО – технологии и имеет максимальный ток потребления 18мА при однополярном питании +5В.

    Как известно, в цифровых устройствах применяют обычно два представления чисел: с фиксированной или плавающей запятой.