Оптимизация цифровых детекторов в приемниках по минимуму вычислительных затрат

Скачать DjVu (2,43 МБ)

Описание

Рассмотрены теоретические вопросы анализа и проектирования цифровых детекторов в многорежимных приемниках на основе предложенного критерия оптимизации по минимуму вычислительных затрат. Разработаны методы анализа устройств с цифровой обработкой сигналов, основанные на операции перестановки, на свойстве парности цифровых ЧД с бинарным квантованием и на замене нелинейных рекуррентных разностных уравнений эквивалентными линейно-параметрическими. Для оценки нелинейных искажений в цифровых детекторах применены методы ординат и дискретного преобразования Фурье, развитые на случай бигармонического входного воздействия.

Разработана структурная схема алгоритма проектирования цифровых детекторов в многорежимных приемниках и предложены пути уменьшения вычислительных затрат.

Для инженерно-технических работников, занимающихся разработкой аппаратуры с цифровой обработкой сигналов.

Рекомендуется в качестве пособия студентам и аспирантам, специализирующимся в области исследования и создания приемных устройств различных сигналов.

ВВЕДЕНИЕ

Цифровая обработка сигналов (ЦОС) в последние годы все шире используется в различных областях науки и техники. Прогресс в этой области вызван достижениями в области микроэлектроники, позволившими создать вычислительные средства, обладающие высоким быстродействием, малыми габаритами, весом и энергопотреблением. Интерес к цифровой обработке сигналов вызван тем, что на ее основе можно создать устройства с характеристиками, недостижимыми при использовании аналоговых мето дов обработки сигналов. Кроме того, применение устройств с цифровой обработкой в ряде случаев оказывается более выгодным с технической и экономической точек зрения в силу их универсальности и возможности работать в различных режимах. Сфера применения цифровой обработки непрерывно расширяется. Это радиосвязь, в том числе космическая, радио-, гидро- и эвуколокация, телеметрия, анализ спектров, обнаружение сигналов на фоне помех, адаптивная коррекция каналов связи, адаптивная компенсация помех, анализ и синтез речи, радиовещание, телевидение, цифровые синтезаторы частота, цифровые методы измерений, обработка сигналов в геологоразведке, сейсмологии, медицине и т.д.

Несмотря на множество уже решенных вопросов,в области применения ЦОС существует еще ряд проблем, которые сдерживают широкое применение цифровой обработки в приемниках сигналов различного назначения. Это ограниченное быстродействие цифровой элементной базы, ограниченные разрядность и быстродействие преобразователей аналоговых сигналов в цифровые, возникающие при ЦОС дополнительные искажения и шумы, ухудшение весогабаритных, энергетических и экономических характеристик устройств ЦОС по сравнению с аналоговыми, недостаточно разработанные теоретические аспекты и методы расчета элементов и устройств ЦОС с заданными качественными показателями. Эти проблемы связаны как с отсутствием подходящей элементной базы, так и со сложностью происходящих в устройствах ЦОС процессов, математическое описание которых во временной и спектральной областях оказывается гораздо более сложным, чем в аналоговых устройствах. Вследствие этого возникают трудности в анализе и синтезе элементов и устройств ЦОС. Далека от завершения и задача разработки оптимальных по программным затратам алгоритмов цифровой обработки различных сигналов с заданными качественными показателями.

На основании вышеизложенного актуальной задачей является развитие теоретических и реализационных основ для создания новых алгоритмов работы и схемных решений, позволяющих разрабатывать приемники различного назначения с цифровой обработкой сигналов, обладающие высокими технологическими, техническими, эксплуатационными и потребительскими характеристиками.

Цифровая обработка непрерывных и дискретных сигналов как новое техническое направление сформировалось лет двадцать назад. Этому предшествовали успехи в области теории связи, микроэлектроники и вычислительной техники. Теория и применение цифровой обработки охватывают различные направления. В их развитие большой вклад внесли отечественные и зарубежные ученые. В области цифровой фильтрации и анализа спектров сигналов следует отметить работы Голда Б., Кайзера Д., Рейдера Ч., Рабинера Л., Трахтмана A.M., Оппенгейма А.В., Шафера В.Р., Хемминга Р.В., Каппелини В., Константинидиса А., Эмилиани П., Лернера Р., Ан-тонью А., Гольденберга Л.М., Матюшкина Б.Д., Поляка М.Н., Винограда В., Кули Д., Тьюки Д., Льюиса П. и др. /1-12/.

В разработку теории и новых алгоритмов, ориентированных на цифровую обработку сигналов, значительный вклад внесли работы Котельникова В.А., Витерби Э,, Финка Л.М., Зюко А.Г., Кловско-го Д.Д., Тихонова В.И., Вейцеля В.А., Пестрякова В.Б., Цикина И.А., Банкета В.Л., Дорофеева В.М., Прохорова Ю.Н., Фомина А.Ф., Заездного A.M., Окунева Ю.Б. г Тузова Г.И., Николаева Б.И. и др. /17-34/.

В разработку теории и создания устройств и систем с цифровой обработкой сигналов значительный вклад внесли Блекман Р., Стивенсон Д., ЦыпкинЯ.З., Жодзижский М.И., Побережский ^.С., Маш-биц Л.М., Ланнэ А.А., Шило В.А., Кривошеев М.И., Цуккерман И.И., Захарченко Н.В., Швыдкий В.В. , Кислюк Л.Д., Чепиков А.П., Спилкер Д. и др. /4, II, 13, 14, 20, 22, 36, 116, 118, 122, 129-145/.

В теоретических и экспериментальных исследованиях цифровых устройств и систем ФАПЧ, цифровых синтезаторов частот и цифровых методов измерений большой вклад внесли работы Шахгильдя-на В.В., Ляховкина А.А., Клэппера Дж., Фрэнкла Дж, Фомина А.Ф., Белюстиной Л.Н., Федосеевой В.Н., Белых В.Н., Гинзбурга В.В., Карякина В.Л., Кармалиты В.А., Соколинского В.Г. и др. /15, 16, 19, 70, 71, ИЗ, 119; 125/.

Широкое и многообразное применение цифровой обработки сигналов обусловлено тем, что она имеет ряд существенных преимуществ перед аналоговой обработкой:

- значительно более высокую точность обработки сигналов по сложные алгоритмам ;

- гибкую и оперативную перестройку алгоритмов обрабо, ,-"и, обеспечивающую как создание многорежимных устройств, т.ч»' реализацию адаптивных систем ;

- высокую технологичность изготовления и автоматизации эксплуатации устройств с ЦОС, обусловленную отсутствием необходимое^ настройки при изготовлении и регулировок при эксплуатации;

- высокую степень совпадения и повторяемости характеристик « реализованных устройств с расчетными характеристиками;

- возможность построения развивающихся, интеллектуальных j систем,\способных к реконструкции, реконфигурации, поиску и \ обнаружению неисправностей;

- большие возможности автоматизации проектирования; <

- высокая степень совпадения результатов моделирования на ' ЭВМ с физическим экспериментом;

- высокостабильные эксплуатационные характеристики устройств с цифровой обработкой сигналов.

Вместе с тем цифровая обработка имеет и ряд недостатков перед аналоговой обработкой:

- меньшая ширина спектра обрабатываешх сигналов;

- дополнительные погрешности, искажения и шумы, возникающие в сигнале при аналого-цифровом и цифро-аналоговом преобразованиях (в АЦП и ЦАП);

- довольно часто устройства с ЦОС обладают большими габаритами и потребляемой мощностью по сравнению с аналоговыми устройствами;

- у приеников с ЦОС меньше динамический диапазон обрабатываемых сигналов.

Указанные недостатки по мерс развития микроэлектроники постепенно утрачивают свои сдерживающие факторы. Кроме того, можно привести много примеров, где цифровая обработка является безальтернативной.

Из анализа развития радиотехники и радиоэлектроники на современном этапе можно сделать вывод, что основным источником и движущей силой их развития является единство и борьба противоположностей: аналоговых и дискретных методов передачи сообщений, обоюдном развитии аналоговой и цифровой элементной базы, а также аналоговой и цифровой обработки принимаемых сигналов. Противоположности здесь в философских категориях диалектики проявляются как непрерывность и скачок. Они существуют в неразрывной связи, взаимно дополняют друг друга и способствуют обоюдному развитию указанных направлений техники, способствуя тем самым прогрессу в других областях человеческой деятельности. Предлагаемая читателю работа посвящена вопросам применения цифровой обработки сигналов в приемниках различного назначения. Несмотря на множество уже решенных вопросов в этой области, на сегодняшний день здесь существует ряд нерешенных задач, сдерживающих широкое применение ЦОС в приемниках.

Одна из важнейших задач - это повышение быстродействия цифровой элементной базы. Эта проблема остро проявляется в построении приемников широкополосных сигналов с шириной спектра в десятки и сотни мегагерц. Если в этих системах связи канал является гауссовским с нормальным белым шумом, то приемники с ЦОС таких систем удается построить на существующей элементной базе за счет применения в них децимации и АЦП с малым числом уровней квантования, вплоть до бинарного (двухуровневого). Однако построение приемников усложняется. В них появляются дополнительные узлы на микросхемах малой и средней степени интеграции, что затрудняет их изготовление и микроминиатюризацию. Кроме того, из-за малоуровневого квантования и рандомизации в этих приемниках возникают энергетические потери на 2-6 дБ по сравнению с аналоговыми приемниками. /13/. Решение указанных задач идет как по пути создания сверхбыстродействующих АЦП с числом уровней квантования порядка 8-32, так и по пути поиска более зффективных алгоритмов обработки и схемных решений узлов этих приемни ков.

Если канет связи является негауссовским (с многолучевостью, мощными сосредоточенными помехами), то применение малоуровне-вых АЦП в приемниках недопустимо, приходится применять АЦП с слом разрядов от 10 до 16 /20/. Быстродействие таких АЦП гораа ниже, чем у малоразрядных, тем более бинарных. Кроме того, пре;. образование аналогового сигнала в цифровую форму с большим чис/. лом уровней квантования требует увеличения уровня преобразуемо;;, го сигнала до единиц и даже десятков вольт. Это в свою очередь» резко повышает требования к линейности аналогового тракта при-:' емника до АЦП. Из-за указанных причин динамический диапазон при емников с ЦОС всегда оказывается меньше динамического диапазона: аналоговых приемников. При фиксированной разрядности АЦП его можно увеличить за счет повышения частоты дискретизации. При этом снижается нижняя граница динамического диапазона. Но рост частоты дискретизации сдерживается ограниченным быстродействием многоразрядных АЦП и цифровой элементной базы. Для разрешения этих противоречий идут поиски схемных и программных решений в приемниках с ЦОС, направленных на искусственное уменьшение динамического диапазона сигналов на входе АЦП с последующим его расширением на выходе (цифровое компрессирование, мгновенная АРУ, применение адаптивных компенсаторов помех и т.д.). Однако при этом неизбежно возникают искажения в сигналах, явления забмтия, усложняются алгоритмы отработки /28, 29, 30/.

Широкое развитие цифровая обработка сигналов получила в разрабатываемых высокоскоростных модемах, предназначенных для передачи дискретных сообщений со скоростью выше скорости Найквис-та по каналам с ограниченной полосой пропускания /26, 31/. В связных радиоприемниках применение ЦОС наталкивается на проблемы как технического, так и экономического характера /4, 20/. Сложная помеховая обстановка, особенно в KB диапазоне, требует применения качественных фильтров и сложных алгоритмов обработки сигналов. Это в свою очередь, требует применения в приемнике многоразрядных АЦП, ЦАП и мощных процессоров для обработки сигналов. Все зто повышает сложность, увеличивает потребляемую приемником мощность и его стоимость. В результате приемник с ЦОС может оказаться неконкурентным с аналоговым приемником.

В УКВ диапазоне помеховая обстановка лучше, но применяются более широкополосные сигналы. Например, сигнал УКВ-ЧМ-стерео имеет ширину спектра примерно 250 кГц. В этом случае возникают проблемы из-за высокой частоты дискретизации, которые также выливаются в те же недостатки, что и в КВ-приемниках. Однако в последние годы появляются предпосылки для технико-экономического обоснования применения ЦОС и в радиоприемниках /36/.

Предпосылки эти сводятся к следующим факторам.

1. Возрастает число видов излучаемых радиовещательными станциями сигналов. К традиционным AM и ЧМ сигналам прибавляются сигналы ОБП, стереовещание на СВ, причем в разных странах с разными стандартами, узкополосная ЧМ на KB и другие.

2. Появляются дешевые многоразрядные и быстродействующие АЦП, ЦАП и сигнальные процессор!.

3. Большим спросом у покупателей пользуются высококачественные бытовые радиокомплексы, включающие в себя всеволновые приемники, магнитофоны, цифровые лазерные проигрыватели, эквалайзеры и акустические системы с усилителями мощности. При зтои радиокомплексы снабжаются разнообразными сервисными возможностями (работа по программам - включение и выключение в заданное время, различная цифровая и иная индикация и т.д.).

4. Радиовещательные приемники являются самыми массовыми. Указанные факторы приводят к тому, что цифровая обработка сиг^ налов в радиоприемниках также становится обоснованной как тех-| нически, так и экономически вследствие большого числа видов pejj боты. В сложных бытовых радиокомплексах процессоры цифровой об работки могут выполнять различные функции в зависимости от рш| ма работы этих комплексов (Фильтры, демодуляторы, стереодекоде! ры, эквалайзеры и т.д.).

Не менее массовыми являются телевизионные приемники. Применение ЦОС в телевизионных приемниках сдерживается следующими факторами.

1. Широкий спектр телевизионного сигнала.

2. Сложность по структуре телевизионного сигнала. Наличие в нем различных сигналов: видео, цветоразностных, сигнала звуко-'а вого сопровождения, различных сигналов синхронизации. Все это требует применения сложных алгоритмов обработки.

Из-за указанных факторов блок цифровой обработки в ТВ-приемЦ| нике оказывается сложным, с большой потребляемой мощностью и | дорогим. Однако и в ТВ-приемниках цифровая обработка перспективна. Дело в том, что телевизионный сигнал в некотором смысле удобен для цифровой обработки из-за его строчной структуры. Алгоритмы его обработки вследствие этого могут быть упрощены и ; окажутся технически и экономически обоснованными для примене-ния в ТВ-приемниках. В нашей стране и за рубежом ведутся интен-| сивные разработки в этом направлении /59, 60/. Цифровые методы ,|j формирования строчной и кадровой разверток уже широко используются в телевизионной аппаратуре. Совмещение в одном телевизоре декодеров A/TS.C., РД L , SECAtA , а также формирование на экране дополнительной видео-информации (отсчеты текущего времени, видео-и^ормация по другим ТВ-каналам и др.) создают достаточные технико-зкономические предпосылки для широкого применения ЦОС на базе сигнальных процессоров в телевизионных приемниках.

Перечисленные задачи, стоящие на пути внедрения ЦОС в приемники различного назначения, имеют общие и специфические вопросы.

Специфические вопросы решаются путем поиска новых алгоритмов и схемных решений. Общие вопросы решаются путем повышения йлст-родействия АЦП, ЦАП и цифровой элементной базы (разработка транспьютеров и систолических структур) с одновременным повышением ее степени интеграции, уменьшением потребляемой мощности и стоимости.

В теоретическом плане на пути внедрения ЦОС не полностью решены вопросы компактного описания дискретизированных и квантованных с любым числом уровней квантования сигналов. Требуется обосновать методы анализа нелинейных искажений сигналов в устройствах цифровой обработки, позволяющие получать аналитические выражения для их количественной оценки. В устройствах ЦОС с бинарным квантованием недостаточно глубоко исследованы закономерности в построении, а также искажения сигналов, шуш и помехоустойчивость. В устройствах ЦОС с многоуровневым квантованием нет единого подхода к определению точностных параметров (необходимой разрядности АЦП, ЦАП и вычислителей, параметров УВХ, нелинейности комплектов УВХ-ЛЦП-ЦАП). Недостаточно разработаны вопросы использования конвейеризации обработки, а также транспьютерных и систолических структур для построения быстродействующих вычислителей ЦОС. Для уменьшения программных затрат при реализации алгоритмов ЦОС плодотворными являются разработки методик расчета элементов и узлов ЦОС, выполняющих одновременно несколько функций, например, частотная фильтрация и коррекция искажений, а также элементов ЦОС с малыми программными затратами. Из-за ограниченной разрядности вычислителей в устройствах ЦОС возникают"! паразитные явления (предельные циклы, забитие сигнала помехой *; и т.д.). В связи с зтим актуальными являются разработки алгори^" мов функционирования элементов и узлов ЦОС, пригодных для pea-'J лизации на вычислителях с ограниченной разрядностью.

В литературе и патентной документации не нашли должного от- j. ражения вопросы синтеза основных элементов ЦОС (косинусно-си-нусных генераторов, блоков извлечения корня, ограничителей плитуды, умножителей и делителей частоты) с заданными показате-' лями качества и экономичными по программным затратам. Нет так- / же количественного сопоставления по техническим показателям и программным затратам различных схем цифровых детекторов непре- s рывных и дискретных сообщений, работающих в каналах связи с по-? стоянными и переменными параметрами. Не оценена помехоустойчивость некоторых алгоритмов обработки сигналов, пригодных для цифровой реализации.

Решение перечисленных вопросов нашло частичное отражение в книге