Способ аналого-цифрового преобразования узкополосных сигналов

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах цифровой обработки аналоговых узкополосных сигналов. Способ позволяет исключить искажения сигнала, вызванные неидентичностью коэффициентов передачи каналов обработки, поочередно выполняющих дискретизацию и квантование сигнала. Цель изобретения достигается путем устранения наложения спектров помех на спектр полезного сигнала и подавления помех с помощью цифровой фильтрации благодаря выбору определенных соотношений между частотой дискретизации, параметрами сигнала и характеристиками цифрового фильтра. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах цифровой обработки аналоговых узкополосных сигналов.

Известен способ аналого-цифрового преобразования, при котором производится квантование входного сигнала одновременно двумя или несколькими аналого-цифровыми преобразователями со смещенными шкалами [1] Недостатком известного способа является искажение дискретизируемого сигнала, из-за неидентичности коэффициентов передачи используемых аналого-цифровых преобразователей. Кроме того, из-за низкой частоты дискретизации, определяемой временем преобразования одного аналого-цифрового преобразователя независимо от их количества, многие из помех, которые до дискретизации были сосредоточены за пределами полосы частот полезного сигнала, а также шумы квантования после дискретизации попадают в эту полосу.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ аналого-цифрового преобразования, при котором входной аналоговый сигнал дискретизируется по времени и квантуется по уровню в N идентичных каналах обработки, частота дискретизации в каждом из которых в N раз меньше общей частоты дискретизации f_д, отсчеты в каналах берутся поочередно с циклическим сдвигом по времени на 1/f_д, а цифровые их значения на выходах каналов в такой же очередности объединяются в общий поток с частотой дискретизации f_д и фильтруются в цифровой форме [2] Благодаря тому, что данный способ позволяет увеличить общую частоту дискретизации в N раз по сравнению с максимальной возможной частотой аналого-цифрового преобразования в каждом канале обработки, существенно уменьшаются помехи наложения и снижается мощность шума квантования в полосе частот сигнала.

Недостатком известного способа является наличие искажений сигнала, вызванных неидентичностью коэффициентов передачи каналов обработки. Неидентичность каналов связана с наличием в каждом из них аналоговых звеньев, таких как устройство выборки и хранения и аналоговая часть аналого-цифрового преобразователя. Разброс параметров элементов этих звеньев, неточность их настройки и воздействие дестабилизирующих факторов вызывают различия коэффициентов передачи каналов, составляющие 3.5% Из-за этого возникает паразитная амплитудная модуляция, приводящая к искажению сигнала и, соответственно, к сужению динамического диапазона.

Цель изобретения исключение искажений сигнала, вызванных неидентичностью коэффициентов передачи каналов обработки.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу аналого-цифрового преобразования узкополосных сигналов, при котором аналоговый узкополосный сигнал с центральной частотой f_о и шириной спектра ΔF дискретизируют по времени и квантуют по уровне в N идентичных каналах обработки, частота дискретизации в каждом из которых в N раз меньше общей частоты дискретизации f_д, отсчеты сигнала в каналах формируют последовательно с циклическим сдвигом по времени на 1/f_д, после чего осуществляют цифровую фильтрацию общего потока отсчетов с частотой дискретизации f_д, частоту дискретизации f_д определяют из условия NΔF < 2Nf_ц f_д int [2Nf_ц/f_д + 0,5] где f_ц f_о int [f_o/f_д + 0,5] f_д центральная частота наиболее низкочастотного отображения спектра полезного сигнала после его дискретизации, int[A] целая часть числа A, а цифровую фильтрацию осуществляют с полосой пропускания от f_ц 0,5ΔF до f_ц + + 0,5ΔF и полосой задерживания, перекрывающей все N-1 частотные интервалы от f_nk 0,5ΔF до f_nk + 0,5ΔF, где f_nk 0,5f_д 0,5f_д- kf_д/N-f_ц центральная частота отображения спектра сигнала помехи от неидентичности каналов обработки, при этом k 1,2,N-1.

При использовании предлагаемого способа аналого-цифрового преобразования узкополосных сигналов благодаря выбору по приведенным выше формулам частоты дискретизации и границ полосы пропускания и полос задерживания при цифровой фильтрации спектры помех, вызванных неидентичностью коэффициентов передачи каналов, не перекрываются со спектром полезного сигнала и подавляются цифровым фильтром, что исключает искажения сигнала.

Совокупность операций, включенных в заявляемый способ, не была обнаружена в известных технических решениях в ходе исследования, проведенного по источникам патентной и другой научно-технической информации.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ; на фиг.2 спектральные диаграммы сигналов при числе каналов обработки N 3.

Устройство состоит из N идентичных каналов 1 обработки, каждый из которых содержит включенные последовательно устройство 2 выборки и хранения (УВХ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3. Входы всех каналов 1 объединены, а выходы соединены с помощью шин данных через коммутатор 4 со входом цифрового фильтра 5. Выход опорного генератора 6 подключен через счетчик 7 номера канала, имеющий коэффициент счета N, распределитель 8 импульсов к стробирующим входам всех каналов. Кроме того, выход счетчика 7 номера канала с помощью шин соединен с управляющим входом коммутатора 4, а выход опорного генератора 6 с тактовыми входами цифрового фильтра 5 и распределителя 8 импульсов.

Способ осуществляется следующим образом.

Узкополосный сигнал с центральной частотой f_о и шириной спектра ΔF поступает одновременно на входы всех N каналов 1 обработки (на фиг.2,а показана спектральная диаграмма входного сигнала). Опорный генератор 6 вырабатывает импульсы с общей частотой дискретизации f_д, которыми с помощью счетчика 7 номера канала и распределителя 8 импульсов поочередно стробируются все каналы 1 обработки. При этом через интервал времени 1/f_д после момента стробирования первого канала стробируется второй канал, еще через 1/f_д третий и т.д. а через 1/f_д после N-го канала вновь стробируется первый канал. Следовательно, частота дискретизации в каждом канале в N раз меньше f_д, что позволяет с увеличением числа каналов N снизить требования к быстродействию АЦП 3.

Сформированные на выходах каналов 1 обработки цифровые значения отсчетов в порядке их поступления подаются коммутатором 4 на вход цифрового фильтра 5 в такой же очередности, в какой производится стробирование каналов 1 обработки, но с задержкой относительно моментов стробирования на время преобразования в АЦП 3. В результате на выходе коммутатора 4 образуется общий поток отсчетов с частотой дискретизации f_д. Если характеристики всех каналов идентичны, то спектр этой последовательности отсчетов содержит только отображения спектра полезного сигнала (фиг.2,б), наиболее низкочастотное из которых сосредоточено в полосе частот шириной ΔF, симметрично расположенной относительно частоты f_ц, которая определяется по формуле f_ц f_o int [f_o/f_д + 0,5]f_д , (1) где int[A] целая часть A. Здесь и в дальнейшем рассматривается диапазон частот от 0 до 0,5f_д.

Однако на практике коэффициенты передачи каналов различны из-за разброса параметров элементов, неточности настройки и действия дестабилизирующих факторов, причем это различие составляет не менее 3.5% В результате возникает паразитная амплитудная модуляция последовательности отсчетов на выходе коммутатора 4, которая является периодической и имеет период N/f_д. В спектральной области данная амплитудная модуляция эквивалентна появлению помех в полосах частот (фиг. 2, в, г), от f_nk 0,5 ΔF до f_nk + 0,5ΔF, где f_nk 0,5f_д 0,5f_д- kf_д/N f_ц при k 1,2,N-1. (2) Из выражения (2), в частности, видно, что паразитная амплитудная модуляция, возникающая из-за неидентичности каналов 1 обработки, порождает N-1 отображений спектра помех в диапазоне частот от 0 до 0,5f_д.

В общем случае полосы частот, занимаемые полезным сигналом и возникающими помехами, перекрываются, например, так, как показано на фиг.2,в. Все N-1 отображений помех, как перекрывающиеся, так и неперекрывающиеся со спектром дискретизированного полезного сигнала, вызывают его искажения. Для исключения этих искажений необходимо избежать наложения спектров помех на спектр полезного сигнала и подавить спектры помех путем фильтрации цифровым фильтром, полоса пропускания которого совпадает со спектром дискретизированного полезного сигнала, а полоса задерживания перекрывает все участки частот, пораженные помехами.

Предотвратить наложение спектров помех на спектр полезного сигнала можно только при выборе частоты дискретизации f_д из условия: NΔF< 2Nf_ц f_д int [2Nf_ц/f_д+0,5] . (3) Здесь, так же, как и в (2), f_ц определяется по формуле (1).

Отсутствие наложения спектров помех на спектр сигнала позволяет подавить помехи практически до любого допустимого уровня путем фильтрации общего выходного потока отсчетов цифровым фильтром с полосой пропускания от f_ц 0,5ΔF до f_ц + 0,5ΔF и полосой задерживания, перекрывающей все N-1 частотных интервалов от f_nk 0,5ΔF до f_nk + 0,5ΔF, где значения f_ц и f_nk определяются по формулам (1) и (2), а f_днаходится из условия (3).

Для случая N 3 необходимая амплитудно-частотная характеристика цифрового фильтра 5 схематически показана на фиг.2,г утолщенной линией. В ходе фильтрации помехи режектируются, причем степень их подавления может быть сколь угодно высокой при достаточном порядке цифрового фильтра 5. Спектр последовательности отсчетов на выходе цифрового фильтра 5 (фиг.2,д) содержит только отображения спектра полезного сигнала, а паразитная амплитудная модуляция и соответствующие ей искажения этой последовательности отсутствуют.

Таким образом, предлагаемый способ аналого-цифрового преобразования позволяет исключить искажения сигнала, вызванные неидентичностью коэффициентов передачи каналов обработки, путем устранения наложения спектров помех на спектр полезного сигнала и подавления помех с помощью цифровой фильтрации при выборе характеристик операций дискретизации и цифровой фильтрации в соответствии с приведенными выше соотношениями. Благодаря этому появляется возможность при отсутствии высококачественного АЦП с необходимыми разрядностью и быстродействием создать при сравнительно небольших затратах его полный аналог на базе нескольких низкоскоростных АЦП.

Формула изобретения

СПОСОБ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ УЗКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ, заключающийся в том, что аналоговый узкополосный сигнал с центральной частотой f₀ и шириной спектра ΔF дискретизируют по времени и квантуют по уровню в N идентичных каналах обработки, частота дискретизации, в каждом из которых в N раз меньше общей частоты дискретизации f_д, отсчеты сигнала в каналах формируют последовательно с циклическим сдвигом по времени на 1/f_д, после чего осуществляют цифровую фильтрацию общего потока отсчетов с частотой дискретизации f_д, отличающийся тем, что частоту дискретизации f_д определяют из условия

центральная частота наиболее низкочастотного отображения спектра полезного сигнала после его дискретизации;
int [A] целая часть числа A,
а цифровую фильтрацию осуществляют с полосой пропускания от f_ц-0,5 ΔF до f_ц+0,5 ΔF и полосой задержания, перекрывающей все N 1 частотные интервалы от f_nk-0,5 ΔF до f_nk+0,5 ΔF ,

центральная частота отображения спектра сигнала помехи от неидентичности каналов обработки, при этом k 1, 2, N 1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2