Устройства ЦОС. Особенности построения аппаратуры обработки сигналов

Устройства ЦОС

Особенности построения аппаратуры обработки сигналов

Устройства ЦОС выполняют в составе радиоэлектронных средств самые разнообразные функции. При проектировании этих устройств важным этапом является переход от алгоритмического уровня к структурно-функциональному.

Построение структурных и функциональных схем ведут исходя из физической сущности выполняемых алгоритмов обработки сигнала. На этом этапе возникают задачи, которые связаны с поиском рациональных схемотехнических решений. Эти решения должны обеспечивать возможность реализации на существующей элементной базе, а с другой стороны не должны сопровождаться большими упрощениями алгоритма вытекающего из теории обработки сигнала. Для решения этой задачи надо сочетать знания теории обработки с практическими навыками схемотехнических решений. Устройства строят на основе типовых узлов

Рассмотрим последовательность решения этих задач применительно к некоторым устройствам обработки сигналов, входящих в состав многих радиоэлектронных устройств. Данная методика может служить основой для построения других узлов. Большое разнообразие практических задач решается импульсными системами (РЛС, РНС, Радиоуправление и т.д.). многообразие задач ведет к необходимости формирования и обработке различных видов сигналов. Наиболее типичные сигналы:

1.   

2.  Пачка импульсов с АМ

3.  Последовательность импульсов с ВИМ

4.  Пачка импульсов с интервально-временным кодированием

5.  Сигналы с внутренним кодированием

Можно нарисовать и другие. Используя различные сочетания таких сигналов. Вид применяемого сигнала и характер задачи существенно влияют на  процедуру обработки. Большое влияние на это оказывает характер мешающего воздействия естественного или искусственного.

Цифровая обработка строится на основе 3-х подходов

1.  Устройства с жесткой логикой. Все операции алгоритма обработки реализуются с помощью конкретного блока или узла. Алгоритм работы такого устройства нельзя поменять в процессе работы без изменения структуры устройства

2.  Реализация алгоритма на основе программы, которая записывается в память типового вычислительного устройства и им выполняется. В этом случае возможно изменение программы или выбор одной из нескольких возможных. Это устройства с гибкой логикой.

3.  Комбинированный вариант.

Цифровые синтезаторы сигналов

Эти устройства делятся на две группы:

1.  Цифровые синтезаторы частоты. Они формируют непрерывный импульсный сигнал с частотой, которая дискретно меняется в соответствии с управляющим кодом. Форма сигнала не важна.

2.  Цифровые синтезаторы формы сигналов. На их выходе коды отсчетов сигнала или аналоговый сигнал заданной формы. Параметрами, характеризующими качество синтезатора является чистота спектра выходного сигнала, которая характеризуется уровнем помех и шума; кроме этого:

ü  Диапазон перестройки частоты выходного сигнала

ü  Скорость перестройки частоты

ü  Частотное разрешение

ü  Количество генерируемых частот

ü  Функциональная гибкость синтезатора (осуществление различных видов модуляции)

ü  Неразрывность фазы при перестройке частоты

Цифровые синтезаторы частоты

1.  Реализация на основе генераторов, управляемых напряжением (ГУН)

Наиболее простой способ. Код, задающий частоту, поступает на ЦАП и уже в аналоговом виде подается на ГУН. Он нашел применение в ряде систем при относительно небольшом диапазоне перестройки частоты и при малых требованиях к стабильности частоты. Нельзя реализовать одного из  преимуществ ЦСЧ – возможность получения узкой шумовой полосы. Поэтому они строятся с использованием системы ФАПЧ, где для управления частотой используется делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД).

Сигнал с выхода ГУНа  с частотой  через ДПКД поступает на один из входов ИФД (импульсный фазовый детектор), на другой вход ИФД через делитель частоты поступает сигнал с эталонной стабильной частотой . Если на втором входе ИФД другая частота или другая фаза, то выходе формируется сигнал рассогласования, который воздействует на ГУН, который, в свою очередь, управляет ДПКД. Схема входит в синхронный режим .

.

Когда меняем m дискретность перестройки частоты равна  - шаг перестройки. Изменение частоты  ведет к тому, что необходимо изменить параметры фильтра, а также изменяется сетка частот, а параметры фильтра влияют на эффективную шумовую полосу.

Это типичная схема и она выполняется в виде готовых микросхем. Достоинства: возможность реализации на дискретных элементах и большие значения перестройки (но и большой шаг), возможность получения на выходе синусоидального сигнала.

Недостатки: относительная сложность реализации и ограничение минимального дискрета перестройки по частоте, кроме этого ИФД источник дополнительных шумов.

Желание получить малый шаг перестройки вынуждает работать на низкой частоте сравнения, а это требует снижения частоты среза петлевого фильтра. Из-за этого увеличиваются фазовые шумы. Поэтому такие схемы в чистом виде не применяются они используются в составе комбинированных ЦСЧ.

2.  ЦСЧ на основе преобразования кодов

Используются только дискретные элементы и нет ГУНа, это повышает стабильность.

ü Дискретный фазовращатель – он строиться на основе последовательного включения устройств добавления и исключения единиц, а дальше счетчика и делителя частоты. «+» приводит к появлению в выходной последовательности дополнительного импульса, а «-» к его исключению. Добавление или исключение импульса в выходной последовательности эквивалентно сдвигу фазы на . Это очень большой шаг, поэтому на выходе ставиться делитель на m:    . Выбирая m можно обеспечить допустимую величину изменения фазы сигнала, импульсы  и  поступают на эти входы непрерывно, с  и в итоге:

.

На выходе этого синтезатора сложно получить сигнал высокой частоты из-за ограниченного быстродействия дискретных элементов. Если надо получить ВЧ, то используют непосредственное управление фазой с помощью цифроаналоговых ФВ.

ü  Цифроаналоговые ФВ (ЦАФВ)

Они суммируют два ортогональных сигнала с частотой  и разной амплитудой.

   , , вектор вращается с частотой , но обеспечить такое управление аппаратно сложно, поэтому используют линейное изменение амплитуды этих колебаний.

Нужно 4 пары ортогональных сигналов для повышения точности и охвата всех значений фазы.

ФФ – обеспечивает необходимые нам 4 ортогональных напряжения: . ВЧ идет на формирователь фаз, коммутатор выбирает нужную пару из 4-х сигналов и подает на ЦАП. На реверсивный счетчик идет сигнал с частотой  и он формирует две последовательности кодов: прямой и обратный.

На выходе ЦАП сигналы с линейно меняющейся амплитудой, затем они суммируются, фильтруются и делятся на n. Два старших разряда используются для управления коммутатором.

, где r – разрядность счетчика.

ü  ЦСЧ с накопительным сумматором

В накопительный сумматор емкостью  записывается последовательность тактовой частоты, за время  произойдет переполнение счетчика.

 - эти импульсы будут располагаться на временной оси неравномерно, делитель уменьшит эту неравномерность

    диапазон синтеза от 0 до .

ü  ЦСЧ на основе делителя с переменным коэффициентом деления