Детектирование сигнала в ИКШ

6. Детектирование сигнала в ИКШ

В ИКШ сигнал ПЧ обычно конвертируется в видеосигнал (сигнал, чья частота простирается от нулевой частоты до некоторой верхней частоты, определяемой параметрами цепи) с помощью детектора огибающей. В своей простейшей форме детектор огибающей есть диод с последующей параллельной RC - цепочкой (рисунок 6.1). Выход цепи ПЧ, обычно синусоида, подается на детектор. Постоянная времени детектора такая, что напряжение на емкости равно огибающей сигнала ПЧ, то есть детектор успевает следовать за самыми быстрыми изменениями огибающей сигнала ПЧ.

Рисунок 6.1 - Детектор огибающей сигнала ПЧ

За детектором огибающей следует видеофильтр, который определяет полосу видеосигнала. Видеофильтр является фильтром низкой частоты первого порядка и используется для очистки видеосигнала от шумов. Функциональная схема, поясняющая процесс диодного детектирования, представлена на рисунке 6.2

Рисунок 6.2 - Диодное детектирование сигнала ПЧ

Многие из ИКШ имеют минимально пиковый (отбирает из выборок единственную выборку с минимальным значением), максимально пиковый (показывает максимальное значение сигнала), автоматический пиковый детекторы (обеспечивает одновременную индикацию максимального и минимального значений) и детектор выборки. Эти детекторы могут быть реализованы при использовании аналоговых схем, как показано на рисунке 6.2. На этом рисунке сигнал оцифровывается на выходе детектора.

При цифровом детектировании сигнал промежуточной частоты, пройдя через цепи нормализации, сразу подвергается аналого-цифровому преобразованию. Достоинством цифрового детектирования является высокая линейность в большом динамическом диапазоне. Функциональная схема, поясняющая процесс цифрового детектирования, представлена на рисунке 6.3

Рисунок 6.3 - Цифровое детектирование сигнала ПЧ

7. Реализация блока цифровой обработки сигнала

7.1 Структурная схема с выбором элементной базы

По техническому заданию требуется оцифровать сигнал третьей промежуточной частоты блока РПТ– 04 МГц со следующими характеристиками: динамический диапазон – 70 дБ, полоса пропускания тракта ПЧ – 3 МГц.

Структурная схема типичной системы ЦОС представлена на рисунке 7.1. Обычно, прежде чем подвергнуться реальному аналого-цифровому преобразованию, аналоговый сигнал проходит через цепи нормализации, которые выполняют такие функции, как усиление, аттенюация (ослабление) и фильтрация. Для подавления нежелательных сигналов вне полосы пропускания и предотвращения наложения спектров необходим ФНЧ или ПФ.

Рисунок 7.1 - Структурная схема блока ЦОС ПЧ

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - это устройство, которое осуществляет преобразование аналогового сигнала в цифровую форму. При преобразовании (или так называемом процессе дискретизации) происходит замер амплитуды сигнала, и его величина записывается в числовой двоичной форме. Величина аналогового сигнала может быть измерена с определенной точностью, которая определяется числом разрядов АЦП.

АЦП производит выборку с постоянной частотой (частотой дискретизации), которая задается внешним опорным генератором. Использование отдельного опорного генератора для АЦП является предпочтительным, поскольку сигнал внутреннего генератора может иметь высокий уровень шумов и привести к возникновению эффекта дрожания апертуры в АЦП, увеличивающего уровень шумов преобразования.

В связи с быстрым развитием технологии смешанной аналогово-цифровой обработки сигналов, АЦП и ЦАП оснащаются цепями нормализации, а также буферами памяти, специально предназначенными для связи с ПЛИС, и тем самым минимизируют или устраняют необходимость внешней поддержки интерфейса или применения интерфейсной логики.

7.1.1 Выбор АЦП и ЦАП

Общие сведения

Современная тенденция развития АЦП и ЦАП состоит в увеличении скоростей разрешающих способностей обработки сигналов при уменьшении уровня потребляемой мощности и напряжения питания. Более низкие напряжения питания подразумевают меньшие диапазоны входных напряжений и, следовательно, большую чувствительность к разного вида помехам: шумам от источников питания, некачественным опорным и цифровым сигналам, электромагнитным воздействиям и радиопомехам (EMI/RFI) и, возможно наиболее важный момент - к некачественным методам развязки, заземления и размещения компонентов на печатной плате.

Несмотря на эти проблемы, в настоящее время доступны АЦП и ЦАП, которые обладают чрезвычайно высокими разрешающими способностями при низких напряжениях питания и малой потребляемой мощности.

В реальных процессах аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования есть два ключевых этапа: дискретизация по времени и квантование по амплитуде, которые определяют разрешающую способность данных операций. Концепции дискретизации по времени и квантования по амплитуде аналогового сигнала иллюстрируются на рис. 7.2.

Рисунок 7.2 - Дискретизации по времени и квантование по уровню аналогового сигнала

Выборка непрерывных аналоговых данных должна осуществляться через интервал дискретизации , который необходим тщательно выбирать для точного представления первоначального аналогового сигнала. Ясно, что чем больше число отсчетов (более высокие частоты дискретизации), тем более точным будет представление сигнала в цифровом виде, тогда как в случае малого числа отсчетов (низкие частоты дискретизации) может быть достигнуто критическое значение частоты дискретизации, при котором теряется информация о сигнале. Это следует из известного критерия Найквиста, который требует, чтобы частота дискретизации была, по крайней мере, вдвое больше полосы сигнала, в противном случае информация о сигнале будет потеряна. Если частота дискретизации меньше удвоенной полосы аналогового сигнала, возникает эффект, известный как наложение спектров. Частотная зона Найквиста определяется как полоса спектра от 0 до . Частотный спектр разделен на бесконечное число зон Найквиста, каждая по .

Для понимания смысла наложения спектров сначала рассмотрим случай выборки с частотой  одночастотного сигнала синусоидальной формы частоты , осуществленной идеальным импульсным дискретизатором (рисунок 7.3).

Рисунок 7.3 - Пример частного спектра в случаи, когда  находится в первой зоне Найквиста

В частотном спектре на выходе дискретизатора видны гармоники исходного сигнала, повторяющиеся с частотой , то есть на частотах, равных

,

где  

Таким образом, необходимо перед АЦП осуществить фильтрацию, подавляющую компонент, частоты которых находятся вне полосы Найквиста и после дискретизации попадают в ее пределы. Рабочая характеристика фильтра будет зависеть от того, как близко частота внеполосного сигнала отстоит от  и от величины требуемого подавления.

Теперь рассмотрим случай, когда частота сигнала выходит за пределы первой зоны Найквиста (рисунок 7.4). Частота дискретизации  лишь немного больше частоты аналогового входного сигнала , что не удовлетворяет критерию Найквиста. Следует обратить внимание на то, что даже при том, что сигнал находится вне первой зоны Найквиста, его составляющая  попадает внутрь зоны.

Рисунок 7.4 - Пример частного спектра в случаи, когда  лежит за пределами первой зоны Найквиста

Искажение и шум в реальных АЦП

Дискретизация сигнала в АЦП (с интегрированным устройством выборки-хранения (УВХ)), независимо от архитектуры, проходит при наличии шумов и искажений сигнала. Широкополосному аналоговому входному буферу присущи широкополосный шум, нелинейность, конечная ширина полосы. УВХ вносит дальнейшую нелинейность, ограничение полосы и дрожание апертуры. Квантующая часть АЦП вносит шум квантования, интегральную и дифференциальную нелинейности.

Одним из важнейших для понимания положений при определении нелинейности АЦП и ЦАП является то, что передаточная функция преобразователя данных имеет особенности, которые отсутствуют в обычных линейных устройствах типа операционных усилителей (ОУ) или усилительных блоков. Полная интегральная нелинейность АЦП обусловлена интегральной нелинейностью входного буфера, УВХ и полной интегральной нелинейностью передаточной функции АЦП. Но дифференциальная нелинейность, которая присутствует исключительно вследствие цифрового кодирования, может значительно изменяться в зависимости от принципов применяемого цифрового кодирования АЦП. Полная интегральная нелинейность дает составляющие искажений, у которых амплитуда изменяется в функции амплитуды входного сигнала.

Основные технические особенности АЦП

·        Показатель сигнал/шум/искажения (SINAD или S/N+D) - отношение среднеквадратичного значения амплитуды сигнала к среднему значению корня из суммы квадратов всех других спектральных компонентов, включая гармоники, но исключая постоянную составляющую

·        Отношение сигнал/шум или отношение сигнал/шум без гармоник (SNR) - отношение среднеквадратичного значения амплитуды сигнала к среднему значению корня из суммы квадратов всех других спектральных компонент, исключая первые пять гармоник и постоянную составляющую

Показатель сигнал/шум/искажения (SINAD) и показатель сигнал/шум (SNR) заслуживают особого внимания, потому что все еще имеются некоторые разногласия между производителями АЦП относительно их точного определения. SINAD является хорошим индикатором общих динамических характеристик АЦП, таких как функция входной частоты, потому что включает все компоненты, которые создают шум (включая тепловой шум) и искажения. Он часто представляется в виде графика для различных амплитуд входного сигнала. Показатель SNR будет ухудшаться на высоких частотах, но не так быстро как SINAD, так как из него исключены компоненты гармоник.

·        Динамический диапазон, свободный от гармоник (SFDR) - отношение среднеквадратичного значения амплитуды сигнала к среднеквадратичному значению пикового побочного спектрального состава.

Преобразователи с высоким SFDR могут обрабатывать слабый сигнал, находящийся в рабочем диапазоне, в присутствии сильных сигналов в соседних каналах. На графике SFDR строится, как функция амплитуды сигнала и может быть выражен относительно амплитуды сигнала (дБс) или полной шкалы АЦП (dBFS), как показано на рисунке 7.5

Рисунок 7.5 - Пример определения SFDR

В общем случае SFDR существенно больше, чем значение отношения сигнал/шум N-разрядного АЦП. Это объясняется тем, что есть существенное различие между измерениями искажений и шума. Увеличение разрешающей способности АЦП может увеличивать отношение сигнал/шум АЦП, но может улучшать или не улучшать его SFDR.

·        Эффективная разрядность (ENOB)

На практике разрешение АЦП ограничено отношением

сигнал/шум входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней входного сигнала становится невозможным, то есть ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной разрядностью (effective number of bits - ENOB), которая меньше, чем реальная разрядность АЦП и определяется следующим образом:

·        Некоторые характеристики АЦП (SINAD, SNR, SFDR) могут быть улучшены путем использования методики подмешивания шумового сигнала (Dither). Она заключается в добавлении к входному аналоговому сигналу случайного шума (белый шум) небольшой амплитуды. Амплитуда шума, как правило, выбирается на уровне половины LSB (МЗР - младший значащий разряд). Эффект от такого добавления заключается в том, что состояние МЗР случайным образом переходит между состояниями 0 и 1 при очень малом входном сигнале (без добавления шума МЗР был бы в состоянии 0 или 1 долговременно). Для сигнала с подмешанным шумом вместо простого округления сигнала до ближайшего разряда происходит случайное округление вверх или вниз, причем среднее время, в течение которого сигнал округлен к тому или иному уровню зависит от того, насколько сигнал близок к этому уровню. Таким образом, оцифрованный сигнал содержит информацию об амплитуде сигнала с разрешающей способностью лучше, чем МЗР, то есть происходит увеличение эффективной разрядности АЦП (effective number of bits), которая меньше, чем реальная разрядность АЦП.

Негативной стороной методики является увеличение шума в выходном сигнале. Такой подход является более желательным, чем простое округление до ближайшего дискретного уровня. В результате использования методики подмешивания псевдослучайного сигнала мы имеем более точное воспроизведение сигнала во времени. Малые изменения сигнала могут быть восстановлены из псевдослучайных скачков МЗР путем фильтрации. Кроме того, если шум детерминирован (амплитуда добавляемого шума точно известна в любой момент времени), то его можно вычесть из оцифрованного сигнала, предварительно увеличив его разрядность, тем самым почти полностью избавиться от добавленного шума.

Таким образом, при выборе АЦП важно учесть такие характеристики как: разрядность, частота дискретизации, SINAD, SNR, SFDR, наличие управляемых логических входов (Dither, Randomizer, PGA - усилитель с программируемым коэффициентом усиления), а также обратить внимание на их цену и доступность.

Analog Devices и Linear Technology - мировые лидеры в производстве интегральных схем (ИС) для преобразования сигналов. ИС AD9461 и LTC2208 - первые представители нового семейства быстродействующих 16-битных АЦП, обеспечивающие высокую максимальную частоту дискретизации 130 МГЦ, удобные в применении, имеющие высокие динамические характеристики и при этом весьма конкурентоспособную цену. Технические параметры выбранных 16-битных АЦП представлены в таблице 7.1.

Таблица 7.1 - Основные технические параметры выбранных АЦП

Кроме того, АЦП снабжены дифференциальным низковольтным интерфейсом (LVDS), включающем также выход сигнала тактирования, что способствует упрощению схемотехники, а также уменьшению влияния внешних помех на точность АЦП.

Из таблицы 7.1 видно, что наилучшими характеристиками обладает аналого-цифровой преобразователь LTC 2208 фирмы Linear Technology.

В сигнале, преобразованном из цифровой формы в аналоговую, также будет присутствовать шум и составляющие искажений. Искажения могут быть определены в терминах нелинейных искажений, динамического диапазона, свободного от помех (SFDR), интермодуляционных искажений (IMD). Двухтональные интермодуляционные искажения измеряют, подавая два спектрально чистых синусоидальных сигнала с частотами f1 и f2, обычно довольно близкими друг к другу. Амплитуда каждой компоненты устанавливается на 6 дБ ниже полной шкалы для того, чтобы АЦП не входил в ограничение при совпадении сигналов по фазе. Значение интермодуляционных искажений выражается в дБс относительно уровня любой из двух первоначальных частот, а не их суммы. Под нелинейными искажениям понимается отношение высших гармоник к гармонике основной частоты, на которой восстановлен чистый (теоретически) синусоидальный сигнал. Эти искажения являются наиболее общей характеристикой искажений. Таким образом, при выборе ЦАП важно учесть такие характеристики как: SFDR, IMD (интермодуляционные искажения), NPSD (спектральная плотность мощности шума), рассеиваемая мощность, напряжение питания, а также обратить внимание на их цену и доступность.

Технические параметры выбранных 16-битных ЦАП представлены в таблице 7.2.

Таблица 7.2 - Основные технические параметры выбранных ЦАП

Из таблицы 7.2 видно, что наилучшими характеристиками обладает цифро-аналоговый преобразователь AD 9726 фирмы Analog Devices.

Похожие работы

Терминологический словарь по специальности «Электротехнические комплексы»

Скачать

25438

1

0

noun метод биений 47 bell insulator noun юбочный изолятор 48 bias current noun ток смещения 49 bimodal distribution noun бимодальное распределение 50 binomial series noun биномиальный ряд 51 biquadratic equation noun уравнение четвертой степени 52 bisecting point of a segment noun середина отрезка 53 bivariate distribution noun двумерное распределение 54 block relay ...

Допплеровский измеритель скорости кровотока

Скачать

157070

33

0

... Аорта 30-60 Большие артерии 20-40 Вены 10-20 Малые артерии, артериолы 1-10 Венулы, малые вены 0.1-1 Капилляры 0.05-0.07 Ограничения, налагаемые на частотный диапазон существующих допплеровских измерителей скорости кровотока, обусловлены, в основном, двумя причинами: сложностью получения приемлемых параметров УЗ преобразователя, выполненного на основе пьезокерамики, для работы на ...

Устройство измерения отношения двух напряжений

Скачать

83278

20

0

... устройств относительно не велика, соответственно по форме финансирования это могут быть и частные фирмы и госпредприятия. Величина закупок данного вида устройств не может быть высока, т.к. операция измерения отношения двух напряжений является весьма специфической, хотя как таковая она может быть использована в управлении различными техпроцессами на заводах. Приобретая разрабатываемое устройство, ...

Измеритель отношения сигнал/шум ТВ канала

Скачать

115712

40

9

... возможную реализацию точностных характеристик измерительного блока во времени. Функции М ( t ) и s ( t ) можно представить в виде: М ( t ) = А х t ; s ( t ), = sо + В х t, где sо - дисперсия погрешности измерения отношения сигнал/шум в момент начала эксплуатации. Выбираем: sо  = 0,5 Коэффициенты А и В выбираем по интенсивности внезапных отказов l å из соотношений ...