Способ преобразования аналогового сигнала в цифровой квадратурный код и устройство для его осуществления

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в качестве цифрового приемника для преобразования аналогового сигнала на промежуточной частоте (ПЧ) с понижением в цифровой квадратурный код. Достигаемый технический результат - уменьшение частоты дискретизации относительно частоты обрабатываемого сигнала на ПЧ за счет стробоскопического эффекта, повышение идентичности квадратурных составляющих за счет линейной аппроксимации амплитуд дискретных выборок. Способ преобразования аналогового сигнала на промежуточной частоте (ПЧ) с понижением в цифровой квадратурный код характеризуется тем, что частота дискретизации задается равной учетверенной частоте сигнала после деления исходной частоты на стробоскопический коэффициент. Устройство, реализующее способ, содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой гетеродин с цифровым управлением (ЦГЦУ), два умножителя (УМН), линию задержки на такт (ЛЗТ), два сумматора (СУМ) и вычитатель (ВЫЧ). 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Группа изобретений относится к радиолокации и может использоваться в качестве цифрового приемника для преобразования аналогового сигнала на промежуточной частоте (ПЧ) с понижением в цифровой квадратурный код.

Известны способ и устройство преобразования (Справочник по радиолокации. / Под ред. М.И. Сколника. Пер. с англ. под общей ред. B.C. Вербы. В 2 книгах. Книга 2. Москва: Техносфера, 2014. - 680 с., ISBN 978-5-94836-381-3 [способ, рис. 25.8 и устройство, рис. 25.9]). Способ заключается в аналоговом переносе сигнала на нулевую частоту с разложением его на квадратурные составляющие, низкочастотной фильтрации спектра квадратурных составляющих с последующим преобразованием их в цифровой код.

Устройство для реализации данного способа содержит два умножителя, гетеродин, генерирующий опорные сигналы, сдвинутые по фазе на π/2, два низкочастотных фильтра и два аналого-цифровых преобразователя (АЦП).

Недостатками этого устройства являются несовпадение коэффициентов усиления в квадратурных каналах и отклонение между ними фазы от π/2 из-за аппаратных погрешностей и воздействующих внешних факторов.

Известны также устройства "Когерентный приемник РЛС с цифровым устройством для амплитудной и фазовой корректировки квадратурных составляющих приемного сигнала", патент РФ №2273860, 10.04.2006, бюл. №10, и "Быстрая калибровка синфазно-квадратурного дисбаланса", патент РФ №2407199, 20.12.2010, бюл №35. Все они в полной мере не решают поставленных перед ними задач, т.к. выравнивание между каналами коэффициентов усиления и фазового смещения также осуществляется с аппаратной погрешностью. Кроме этого, при обработке широкополосных сигналов смещение фазы и коэффициент усиления в общем случае не постоянны в полосе сигнала, что также ограничивает возможности использования этих устройств. При этом возрастает объем аппаратуры, энергопотребление и снижается надежность.

Известны также способ и устройство преобразования, выбранные в качестве прототипа (Справочник по радиолокации. / Под ред. М.И. Сколника. Пер. с англ. под общей ред. B.C. Вербы. В 2 книгах. Книга 2. Москва: Техносфера, 2014. - 680 с., ISBN 978-5-94836-381-3 [способ, рис. 25.10 и устройство, рис. 25.11]). Способ заключается в преобразовании сигнала на промежуточной частоте (ПЧ) F₀ в цифровой код, переносе на нулевую частоту с разложением его на квадратурные составляющие и последующей низкочастотной фильтрации их в каждом канале.

Устройство для реализации этого способа содержит АЦП, два цифровых умножителя, цифровой гетеродин, генерирующий опорные сигналы с тактовой частотой АЦП, сдвинутые по фазе на π/2, а также два цифровых низкочастотных фильтра и два дециматора.

Недостатками этого способа и устройства являются высокая частота дискретизации, большое число выполняемых арифметических операций и большое энергопотребление.

Техническим результатом группы изобретений являются: уменьшенная частота дискретизации относительно частоты обрабатываемого сигнала на ПЧ за счет стробоскопического эффекта, сокращенное число арифметических действий за счет упрощения операций разложения на квадратурные составляющие и фильтрации, высокая идентичность квадратурных составляющих за счет линейной аппроксимации амплитуд дискретных выборок, а также пониженное энергопотребление.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе преобразования аналогового сигнала на ПЧ F₀ с понижением в цифровой квадратурный код согласно изобретению из сигнала на ПЧ F₀ считываются дискретные выборки с частотой ƒ_t и разделяются на квадратурные составляющие, при этом частота дискретизации задается равной учетверенной частоте ƒ₀, которая соответствует отношению несущей частоты F₀ входного ПЧ сигнала к стробоскопическому коэффициенту, равному (4⋅N-3), где N - число стробоскопических интервалов, при этом частота ƒ₀ расположена в первом интервале, a F₀ - в N-м частотном интервале.

При заданной частоте дискретизации разложение дискретных выборок на квадратурные составляющие упрощается, амплитуда опорного сигнала на этой частоте дискретизации принимает целочисленные значения: 1, 0 и -1, при этом для формирования амплитудных выборок в синфазном канале на опорный вход умножителя поступает циклически повторяющаяся последовательность: 1, 0, -1 и 0, а для формирования дискретных амплитудных выборок в квадратурном канале в это же время поступает циклически повторяющаяся последовательность: 0, -1, 0 и 1.

Также упрощается и фильтрация низкочастотных составляющих с прореживанием в каждой квадратуре, суть которой заключается в исключении нулевых выборок, а отличие амплитудных выборок в квадратурных каналах от истинных значений, обусловленных разным временем их считывания, компенсируется линейной аппроксимацией.

В устройстве для осуществления способа указанный технический результат достигается тем, что в устройство преобразования аналогового сигнала на ПЧ F₀ с понижением в цифровой квадратурный код, содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и два умножителя (УМН), информационные входы первого и второго умножителей подключены к выходу АЦП, цифровой гетеродин с цифровым управлением (ЦГЦУ), выходы которого подключены к соответствующим опорным входам УМН, тактовые входы ЦГЦУ и АЦП объединены и на них поступает тактовая частота, а на информационный вход АЦП поступает сигнал на ПЧ, согласно изобретению введены вычитатель (ВЫЧ), линия задержки на такт (ЛЗТ) и два сумматора (СУМ), при этом выход ЛЗТ соединен с первым входом первого СУМ, а второй вход первого СУМ и вход ЛЗТ соединены с выходом первого УМН, выход второго УМН соединен с первым входом второго сумматора и вычитающим входом ВЫЧ, а выход первого СУМ соединен со вторым входом второго СУМ и вычитаемым входом ВЫЧ, при этом выходы второго СУМ и ВЫЧ являются выходами устройства.

Согласно заявляемому способу преобразования сигнала на ПЧ выбирается число N стробоскопических интервалов из условия, при котором полоса обрабатываемого сигнала как минимум вдвое уже каждого интервала. В соответствии с выбранным числом интервалов задается тактовая частота ƒ_t=4F₀/(4⋅N-3), которая поступает на тактовые входы АЦП и ЦГЦУ. На вход АЦП поступает вещественный аналоговый сигнал вида cos(2π⋅F₀⋅ƒ_t+ϕ), а с его выхода последовательно считываются выборки X_n=cos(π⋅n/2+ϕ). На выходе ЦГЦУ формируются два опорных сигнала, сдвинутых относительно друг друга на π/2, которые в силу заданного соотношения ƒ_t/ƒ₀=4 принимают значения: 1, 0, -1, 0, 1, 0 и т.д. Поэтому операции умножения при разделении квадратурных составляющих упрощаются и выполняют функции ключей, которые пропускают сигнал на выход без изменения, блокируют его или инвертируют знак, причем если в одном канале сигнал пропускается на выход, то в другом блокируется, и наоборот. Таким образом, с выхода первого умножителя-ключа считывается массив четных выборок (-1)ⁿ⋅X_2n, а с выхода второго умножителя-ключа считывается массив нечетных выборок (-1)ⁿ⁺¹⋅X_2n+1, при этом нулевые выборки, определяемые опорным сигналом, исключаются. Такое исключение нулевых выборок равнозначно децимации, поэтому частота тактирования на выходах умножителей-ключей уменьшается вдвое. Отклонение от ортогональности квадратурных составляющих из-за не одновременного, а поочередного считывания дискретных выборок (-1)ⁿ⋅X_2n и (-1)ⁿ⁺¹⋅X_2n+1 компенсируется линейной экстраполяцией в соответствии с системой равенств

Охарактеризованная указанными выше существенными признаками группа изобретений на дату подачи заявки не известна в Российской Федерации и за границей и отвечает требованиям критерия "новизна".

Заявителем не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с совокупностями отличительных признаков заявляемых изобретений, обеспечивающих достижение заявляемого технического результата, в связи с чем можно сделать вывод о соответствии изобретений условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Изобретения могут быть реализованы промышленным способом с использованием известных технических средств, технологий и материалов и соответствуют требованиям условия патентоспособности "промышленная применимость".

Изобретения поясняются графическими материалами, где на фиг. 1 изображена частотная ось с указанными на ней значениями частоты тактирования, исходного сигнала, а также сигналов в каждом стробоскопическом интервале; на фиг. 2 показана временная осциллограмма с редкими выборками из нее; на фиг. 3 представлены осциллограммы квадратурных составляющих сигнала на выходе умножителей; на фиг. 4 представлены осциллограммы квадратурных составляющих сигнала после линейной аппроксимации их амплитуд; на фиг. 5 показан в фазовой плоскости квадратурный сигнал до ортогонализации составляющих; на фиг. 6 показан в фазовой плоскости квадратурный сигнал после ортогонализации составляющих; на фиг. 7 представлена зависимость коэффициента подавления помех от допплеровских фаз до ортогонализации и после; на фиг. 8 показана структурная схема устройства преобразования аналогового сигнала в цифровой квадратурный код.

В способе преобразования аналогового сигнала в цифровой код согласно изобретению:

- выбирается частота тактирования ƒ_t, значение которой определяет длительность стробоскопического интервала, при этом в первом интервале вещественная частота вчетверо меньше тактируемой частоты (на фиг. 1 спектр действительного сигнала в каждом интервале выделен сплошной линией, а комплексный, возникающий в результате дискретизации с частотой тактирования, выделен пунктирной линией). В результате редкого считывания выборок из сигнала с несущей частотой F₀ их значения совпадают с выборками, если бы их считывали из сигнала с несущей частотой ƒ₀ (на фиг. 2 две синусоиды с частотой ƒ₀ и F₀ соответственно, а вертикальные линии с частотой ƒ_t расположены в точках, где амплитуды этих синусоид совпадают);

- массив этих выборок последовательно сортируется по четности, а знаки выборок поочередно инвертируются, и каждый выделенный массив соответствует значениям квадратурных составляющих (на фиг. 3 - осциллограммы выделенных квадратурных составляющих ЛЧМ сигнала, а на фиг. 5 эти же значения представлены в фазовой плоскости, отклонение которых от окружности указывает на нарушение ортогональности);

- затем в одном из массивов выполняется усреднение амплитуд соседних выборок, т.к. дискретные выборки квадратурных значений считывались последовательно в разное время, то усредненное значение соответствует амплитуде, если бы выборки были считаны одновременно в синфазном и квадратурном каналах. После чего выполняется симметричное сложение и вычитание квадратурных составляющих, что равнозначно общему повороту фазы сигнала на π/4, которая на дальнейший результат обработки не влияет, но выравнивает коэффициенты передачи между каналами квадратур (на фиг. 4 показаны осциллограммы квадратурных составляющих ЛЧМ сигнала после линейной аппроксимации амплитуд дискретных выборок, а на фиг.6 эти же значения представлены в фазовой плоскости, которые расположены по окружности, что указывает на высокое качество ортогональности).

Устройство для преобразования аналогового сигнала в цифровой квадратурный код, структурная схема которого представлена на фиг.8, содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1 и два умножителя (УМН) 3 и 4, информационные входы первого и второго умножителей 3 и 4 подключены к АЦП, цифровой гетеродин с цифровым управлением (ЦГЦУ) 2, выходы которого подключены к соответствующим опорным входам УМН 3 и 4, тактовые входы ЦГЦУ 2 и АЦП 1 объединены и на них поступает тактовая частота, а на информационный вход АЦП 1 поступает сигнал на ПЧ.

Согласно изобретению в устройство введены вычитатель (ВЫЧ) 8, линия задержки на такт (ЛЗТ) 5 и два сумматора (СУМ) 6 и 7, при этом выход ЛЗТ 5 соединен с первым входом первого СУМ 6, а второй вход первого СУМ 6 и вход ЛЗТ 5 соединены с выходом первого УМН 4, выход второго УМН 3 соединен с первым входом второго СУМ 7 и вычитающим входом ВЫЧ 8, а выход первого СУМ 6 соединен со вторым входом второго СУМ 7 и вычитаемым входом ВЫЧ 8, при этом выходы второго СУМ 7 и ВЫЧ 8 являются выходами устройства.

Способ преобразования аналогового сигнала в цифровой квадратурный код реализуется предлагаемым устройством следующим образом.

Вещественный сигнал на ПЧ поступает на информационный вход АЦП, а на тактовые входы АЦА и ЦГЦУ поступает тактовая частота, значение которой много меньше частоты входного сигнала, но которое удовлетворяет требованию ƒ_t=4⋅F₀/(4⋅N-3). На фиг. 2 частота синусоиды входного сигнала для данного примера равна F₀=39 МГц, а тактовая частота равна ƒ_t=12 МГц, с которой считываются амплитудные выборки из входного сигнала, на фиг. 2 они представлены в виде вертикальных линий. Последовательность дискретных выборок X_n с выхода АЦП параллельно поступает на два умножителя-ключа с памятью УМН. В устройстве ЦГЦУ синхронно дискретным выборкам формируются две последовательности, которые в силу условия ƒ_t=4⋅ƒ₀, где ƒ₀ - частота вещественного сигнала в первом стробоскопическом интервале, на фиг. 2 показана пунктирной линией, циклически принимают целочисленные значения: 1, 0, -1 и 0. С выходов ЦГЦУ эти циклически повторяющиеся последовательности, сдвинутые относительно друг друга на такт, одновременно поступают на управляющие входы двух умножителей-ключей с памятью УМН, на первый: 1, 0, -1 и 0, а на второй: 0, -1, 0 и 1. При этом на выходе первого УМН формируется четная последовательность дискретных выборок (-1)ⁿ⋅X_2n, а на выходе второго - нечетная последовательность (-1)ⁿ⁺¹⋅X_2n+1. Причем в момент формирования четных выборок в первом УМН второй не реагирует на нулевые значения по ходу и сохраняет на своем выходе предыдущее значение - нечетную дискретную выборку, такие же действия выполняются и при формировании нечетных дискретных выборок. Таким образом, осуществляется разделение на синфазную и квадратурную составляющие с одновременным прореживанием - децимацией.

С выхода первого УМН четные выборки поступают на вход ЛЗТ и на второй вход первого СУМ, а с выхода ЛЗТ задержанные на такт выборки поступают на первый вход первого СУМ. С выхода второго УМН нечетные выборки поступают на первый вход второго СУМ и вычитающий вход ВЫЧ, а с выхода первого СУМ, после отбрасывания младшего разряда, что равнозначно делению на два, усредненные четные выборки поступают на второй вход второго СУМ и вычитаемый вход ВЫЧ. Окончательно эти действия обеспечивают качественное разделение сигнала на квадратурные составляющие.

Все составные части устройства могут быть выполнены с использованием функционально законченного элемента - АЦП, не требующего сверхвысокой частоты тактирования, и цифровых микросхем любой серии, которые выпускаются в большом ассортименте, или одной микросхемы с повышенной интеграцией - ПЛИС.

Таким образом, предложенный способ преобразования аналогового сигнала в цифровой квадратурный код и устройство для его осуществления позволяют:

- снизить частоту дискретизации относительно частоты обрабатываемого сигнала на ПЧ за счет стробоскопического эффекта;

- сократить число выполняемых арифметических действий за счет упрощения операций разложения на квадратурные составляющие и фильтрации;

- повысить идентичность квадратурных составляющих за счет линейной аппроксимации амплитуд дискретных выборок;

- уменьшить энергопотребление.

Т.к. разбаланс квадратурных составляющих, возникающий в процессе разложения их в цифровом приемнике из-за аппаратных и алгоритмических погрешностей, приводит к появлению зеркального частотного канала, который существенно влияет на качество подавления отраженных сигналов от пассивных помех, то и проверка предложенных способа и устройства осуществлялась с учетом коэффициента подавления методом моделирования.

Моделирование работы устройства преобразования аналогового сигнала в цифровой квадратурный код выполнялась в среде Mathcad с обязательным синтезом отраженного сигнала с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) на промежуточной частоте F₀=39 МГц. Дискретизация осуществлялась на пониженной частоте ƒ_t=12 МГц, что вчетверо больше частоты ƒ₀=3 МГц (фиг. 2) сигнала в первом стробоскопическом интервале. Проверка качества ортогонализации квадратурных составляющих в устройстве выполнялась методом имитации отраженных сигналов во всем диапазоне допплеровских фаз от 0 до π, т.е. от неподвижных местных предметов до первой «слепой» скорости, обработкой их в исследуемом устройстве с последующей компенсацией методом двойного череспериодного вычитания с «поддувом».

Характеристики ЛЧМ сигнала задавались типичные для РЛС обнаружения средней дальности: длительность сигнала Т=10 мкс, а полоса Δƒ=0,8 МГц.

Результаты моделирования, представленные на фиг. 6, - квадратурный ЛЧМ сигнал в фазовой плоскости, подтверждают высокое качество разложения сигнала на квадратурные составляющие в устройстве. На фиг. 7 представлены результаты подавления, где по оси абсцисс отложены значения допплеровской фазы, а по оси ординат - подавление помех в децибелах, методом двойного череспериодного вычитания с «поддувом». Причем разложение сигнала на квадратуры составляющие выполнялось с использованием предложенного устройства, где верхняя линия - результат подавления без аппроксимации амплитуд квадратурных составляющих, и сигналы считывались с выходов умножителей, а нижняя - с учетом линейной аппроксимации, и сигналы считывались с выходов второго сумматора и вычитателя.

1. Способ преобразования аналогового сигнала на промежуточной частоте (ПЧ) F₀ с понижением в цифровой квадратурный код, отличающийся тем, что из сигнала на ПЧ F₀ считываются дискретные выборки с частотой ƒ_t и разделяются на квадратурные составляющие, при этом частота дискретизации задается равной учетверенной частоте ƒ₀, которая соответствует отношению несущей частоты F₀ входного ПЧ сигнала к стробоскопическому коэффициенту, равному (4⋅N-3), где N - число стробоскопических интервалов, при этом частота ƒ₀ расположена в первом интервале, a F₀ - в N-м частотном интервале.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при заданной частоте дискретизации разложение дискретных выборок на квадратурные составляющие упрощается, амплитуда опорного сигнала на этой частоте дискретизации принимает целочисленные значения: 1, 0 и -1, при этом для формирования амплитудных выборок в синфазном канале на опорный вход умножителя поступает циклически повторяющаяся последовательность: 1, 0, -1 и 0, а для формирования дискретных амплитудных выборок в квадратурном канале в это же время поступает циклически повторяющаяся последовательность: 0, -1, 0 и 1.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что отличие амплитудных выборок в квадратурных каналах от истинных значений, обусловленных разным временем их считывания, компенсируется линейной аппроксимацией.

4. Устройство для преобразования аналогового сигнала на ПЧ F₀ с понижением в цифровой квадратурный код, содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и два умножителя (УМН), информационные входы первого и второго умножителей подключены к выходу АЦП, цифровой гетеродин с цифровым управлением (ЦГЦУ), выходы которого подключены к соответствующим опорным входам умножителей (УМН), тактовые входы ЦГЦУ и АЦП объединены и на них поступает тактовая частота, а на информационный вход АЦП поступает сигнал на ПЧ, отличающееся тем, что в него введены вычитатель (ВЫЧ), линия задержки на такт (ЛЗТ) и два сумматора (СУМ), при этом выход ЛЗТ соединен с первым входом первого СУМ, а второй вход первого СУМ и вход ЛЗТ соединены с выходом первого УМН, выход второго УМН соединен с первым входом второго сумматора и вычитающим входом ВЫЧ, а выход первого СУМ соединен со вторым входом второго СУМ и вычитаемым входом ВЫЧ, при этом выходы второго СУМ и ВЫЧ являются выходами устройства.