СПОСОБ ЦИФРОВОГО ФОРМИРОВАНИЯ ШИРОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ГИДРОАКУСТИКИ
METHOD FOR DIGITAL GENERATION OF WIDTH-MODULATED SIGNALS FOR HYDROACOUSTICS

Изобретение относится к способам формирования модулированных импульсных сигналов для усилительных и генераторных устройств гидроакустических передающих трактов ультразвукового диапазона.
Современной тенденцией развития передающих трактов ультразвукового диапазона частот, в частности для режимов освещения ближней обстановки гидроакустических комплексов, является внедрение цифровых методов генерации сигналов на основе цифрового формирования модулированных импульсных последовательностей с последующим ключевым усилением импульсов и выделением на излучающей антенне сигналов возбуждения с заданным амплитудным и фазовым распределением [1]. В этой области все большее распространение получают способы цифрового формирования широтно-модулированных сигналов, описанные, например, в патентах [2-4], применяемые для реализации ключевых усилителей мощности [5].
В известных устройствах [2, 3] используется преобразование цифрового кода входного сигнала в длительность модулированных импульсов с постоянной частотой следования. Сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) формируется в известных устройствах [2, 3] с использованием счетчиков-синхроимпульсов с частотами синхронизации, формирующих временные интервалы пропорциональные цифровому коду входного сигнала в тактовые моменты записи.
В устройстве функционального преобразования ШИМ-сигналов [2] формируется односторонняя модуляция второго рода, характеризующаяся значительным уровнем гармонических искажений, особенно при малом соотношении частоты ШИМ ω к частоте усиливаемого сигнала Ω. Так при соотношении ω/Ω<10 гармонические искажения превышают 10% [5].
Для цифрового широтно-импульсного модулятора по патенту [3], реализующего двухстороннюю ШИМ второго рода, характерен улучшенный спектральный состав модулированного импульсного сигнала, обусловленный отсутствие четных гармоник, что приводит к уменьшению гармонических искажений. Для ω/Ω=6…10 в известном устройстве коэффициент гармоник не превышает 2-3%.
Основным недостатком известных устройств [2, 3] является значительное проникновение комбинационных составляющих спектра импульсных сигналов с частотами (ω-nΩ) в область частот усиливаемого сигнала при уменьшении частоты ШИМ. При малочисленном отношении частот ω/Ω<6 коэффициент комбинационных искажений превышает 10% [5].
Уменьшить комбинационные искажения модулированного импульсного напряжения в устройстве, описанном в патенте [4], позволяет применение двухканальной ШИМ для управления двухканальным ключевым усилителем мощности (КУМ), выполненным, например, по мостовой схеме. Сложение двух импульсных сигналов с ШИМ в диагонали мостовой схемы КУМ формирует суммарное импульсное напряжение с удвоенной частотой переключений. Комбинационные составляющие спектра суммарного импульсного напряжения группируются вокруг гармоник суммарной частоты, равной 2ω, что приводит к более чем двукратному уменьшению коэффициента комбинационных искажений. Однако дальнейшее повышение частоты усиливаемого сигнала в известном устройстве [4] приводит к значительному росту комбинационных и гармонических искажений, что препятствует его использованию в КУМ ультразвукового диапазона частот.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ цифрового формирования ШИМ-сигналов, описанный в патенте РФ 2308800 [6]. В известном техническом решении предложен принцип реализации цифрового широтно-импульсного модулятора с распределенной спектральной характеристикой, что достигается изменением частоты переключений ШИМ-сигналов.
Известный способ цифрового формирования ШИМ-сигналов основан на формировании частотно-модулированного пилообразного цифрового сигнала, его сравнении с цифровым входным сигналом и формировании по результату сравнения последовательности широтно-модулированных импульсов, причем модуляция частоты пилообразного сигнала осуществляется по псевдослучайному закону, чем достигается распределение спектральной характеристики комбинационных составляющих спектра модулированного ШИМ-сигнала.
Достоинством способа-прототипа является реализация возможности дополнительной частотной модуляции ШИМ-сигналов, что позволяет обеспечить изменение частоты комбинационных составляющих спектра.
Однако при изменении частоты пилообразного цифрового сигнала по псевдослучайному закону распределение спектральной характеристики комбинационных составляющих сопровождается увеличением комбинационных искажений ШИМ-сигнала. Отмеченное обстоятельство усугубляется в способе-прототипе формированием одностороннего (нарастающего) пилообразного цифрового сигнала, что приводит к росту как комбинационных искажений, так и, в случае модуляции второго рода [5], к значительным гармоническим искажениям, величина которых превышает 10% при отношении частот ω/Ω≤10.
Способ-прототип может быть реализован в известном устройстве [6], содержащем последовательно соединенные генератор частотно-модулированных импульсов, частота которого изменяется по псевдослучайному закону, регистр памяти и цифровой компаратор, другой вход которого соединен с шиной цифрового сигнала, а выход - с выходом устройства, причем вход синхронизации генератора частотно-модулированных импульсов подключен к шине частоты синхронизации.
Генератор частотно-модулированных импульсов может быть реализован алгоритмически и аппаратно с использованием генератора псевдослучайных чисел, двух цифровых блоков переключения, цифрового сумматора и дополнительного регистра памяти.
min
max
min
max
min
min
max
max
При этом частота частотно-модулированных импульсов изменяется по псевдослучайному закону в полосе от f до f, что соответствует изменению частоты пилообразного цифрового сигнала и, соответственно, частоты ШИМ-сигнала в диапазоне ω<ω<ω при ω=2πf/β; ω=2πf/β, где β - коэффициент деления тактовой частоты, установленный регистром памяти в режиме счетчика импульсов.
ШИМ
ШИМ
Число β определяет дискретность изменения цифрового пилообразного напряжения и соответственно дискретность изменения и динамический диапазон ШИМ цифрового входного сигнала. При динамическом диапазоне более 40 дБ целочисленная величина должна быть более 100. В известном цифровом широтно-импульсном модуляторе [6] задается для каждого периода ШИМ T по псевдослучайному закону. Причем с уменьшением периода T уменьшается число β и, соответственно, для заданной амплитуды цифрового пилообразного напряжения увеличивается шаг дискретизации ШИМ. Последнее обстоятельство приводит к дополнительному понижению точности формирования широтно-модулированных импульсных сигналов.
Недостатки известного способа, связанные с пониженными показателями качества формирования широтно-модулированных сигналов, особенно в верхнем частотном диапазоне, при малом соотношении частоты ШИМ и частоты формируемого сигнала, ограничивают возможности способа-прототипа в гидроакустических передающих трактах. Указанные недостатки особенно сильно сказываются при использовании способа-прототипа в усилительных и генераторных устройствах в ГАС ОБО, поскольку особенностью библиотеки сигналов, генерируемых в режимах ОБО, является использование гармонических частотомодулируемых колебаний относительной полосой частот 0,3-0,5 октавы. Это объясняется тем, что для реализации трактов ультразвукового диапазона частот, например для гидроакустических станций (ГАС) освещения ближней обстановки (ОБО), необходимо дальнейшее развитие способа цифрового формирования широтно-модулированных импульсных сигналов, направленное на уменьшение искажений в условиях минимизации отношения частот модулирующего воздействия (входного цифрового сигнала) и частоты следования импульсов с ШИМ.
Цифровой синтез таких сигналов для гидроакустических передающих трактов предполагает постоянство частоты в каждый отдельный период колебания согласно известному цифровому коду, использование которого возможно для оптимизации ШИМ.
Задачей изобретения является улучшение характеристик качества формирования широтно-модулированных импульсных сигналов при повышении энергоэффективности генераторных устройств ультразвукового диапазона, что особенно важно в гидроакустических комплексах объектового базирования.
Технический результат от использования изобретения заключается в уменьшении искажений ультразвуковых сигналов при минимизации потерь энергии в генераторных устройствах посредством уменьшения частоты ШИМ.
Для достижения указанного технического результата в известный способ формирования широтно-модулированных импульсных сигналов, основанный на формировании частотно-модулированного пилообразного цифрового сигнала, его сравнении с цифровым входным сигналом и формировании по результату сравнения последовательности широтно-модулированных импульсов, введены новые признаки, а именно: частотно-модулированный пилообразный сигнал изменяют по частоте пропорционально частоте цифрового входного сигнала из условия целочисленного отношения частот.
При этом в спектре последовательности широтно-модулированных импульсов исключаются комбинационные составляющие, частоты которых не совпадают с частотами гармоник входного цифрового сигнала, что обеспечивает подавление комбинационных искажений и позволяет улучшить качество формирования широтно-модулированного импульсного сигнала.
Дополнительное улучшение качества формирования широтно-модулированного импульсного сигнала в условиях понижения частоты ШИМ достигается в заявляемом способе введением дополнительных новых признаков, а именно: частотно-модулированный цифровой сигнал формируют в виде симметричных прямого и инверсного пилообразных сигналов, по результату сравнения которых с цифровым входным сигналом формируют последовательность широтно-модулированных импульсов в виде первой и второй однотактных последовательностей широтно-модулированных импульсов, ключевое сложение которых обеспечивает формирование двухтактной последовательности разнополярных широтно-модулированных импульсов.
Совокупность новых признаков в заявляемом способе позволяет обеспечить цифровое формирование широтно-модулированного сигнала с целочисленным отношением частоты ШИМ ω и частоты цифрового входного сигнала Ω в диапазоне от 10 до 3 с гармоническими искажениями не более 0,3…3% при динамическом диапазоне 40 дБ. Для области ультразвуковых частот наибольший интерес представляет цифровое формирование двух последовательностей импульсов с симметричной ШИМ, при усилении и суммировании которых известной мостовой схемой КУМ [4] обеспечивается удвоение суммарной частоты переключений результирующей двухтактной импульсной последовательности. При этом достигается удовлетворительное качество результирующего импульсного напряжения (нелинейные искажения не более 3%) для минимального отношения частот ω/Ω=3.
В результате применения заявляемого способа в условиях минимального отношения частот обеспечивается возможность уменьшения потерь энергии на переключение не менее чем в 3 раза по сравнению с известными техническими решениями. Выделенное обстоятельство имеет принципиальное значение для повышения энергетической эффективности трактов ультразвукового диапазона частот, применяемых в составе ГАС ОБО.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, на которых приведены структурные схемы устройств, реализующих заявляемый способ цифрового формирования широтно-модулированного импульсного сигнала, и фиг. 3, 4, на которых представлены фонограммы сигналов, поясняющие их работу. Спектрограммы импульсных сигналов, сформированных согласно заявленному способу для синхронного и фиксированного значения частоты ШИМ, иллюстрируются на фиг. 5а, б.
Устройство цифрового формирования широтно-модулированного импульсного сигнала (фиг. 1) содержит регистр 1 памяти, частотно-модулированный генератор 2, цифровой счетчик 3 и цифровой компаратор 4.
Связь устройства с формирователем цифрового сигнала осуществляется по шине синхроимпульсов частотой F, по шине цифрового входного сигнала (Код Вход), по шине кода частоты входного сигнала (Код Частота).
Регистр 1 памяти соединен входом с шиной Код Частота и обеспечивает регистрацию кода по импульсу с выхода переноса цифрового счетчика 3, поступающего на вход записи регистра 1 памяти в конце каждого цикла формирования цифрового пилообразного напряжения.
Цифровой сигнал Код Частота устанавливается пропорциональным периоду входного цифрового сигнала и поступает с выхода регистра 1 памяти на вход управления частотно-модулированного генератора 2.
c
S
Выходной сигнал частотно-модулированного генератора 2 формируется посредством деления частоты синхроимпульсов в соответствии с размерностью цифрового сигнала Код Частота. Таким образом на вход синхронизации цифрового счетчика 3, соединенного с выходом частотно-модулированного генератора 2, поступает импульс с периодом T, пропорциональным периоду T цифрового входного сигнала. Цифровой счетчик 3 формирует цифровой пилообразный сигнал с дискретностью, заданной постоянным коэффициентом деления β и заданной постоянной амплитудой AP.
P
В результате период T цифрового пилообразного сигнала устанавливается равным:
где α - коэффициент деления частотно-модулированного генератора, пропорциональный значению сигнала Код Частота;
β - постоянный коэффициент деления цифрового счетчика;
0
T - период синхроимпульсов.
Реализация заявляемого способа основана на выполнении условия целочисленного отношения периода цифрового входного сигнала к периоду цифрового пилообразного сигнала заданного значения:
0
Выделенное условие определяет ограничения для установки периода цифрового входного сигнала при заданных значениях α, β, γ и общей шине синхроимпульсов с периодом T:
S
Для неизменных значений γ, β точность установки T должна определяться размерностью цифрового сигнала Код Частота.
Особенностью реализации устройства (фиг. 2) является формирование цифровым счетчиком двух противофазных симметричных цифровых пилообразных сигналов, каждый из которых сравнивается с цифровым входным сигналом. В результате формируются две последовательности широтно-модулированных импульсов, суммирование которых по известным правилам [4] позволяет получить двухтактную последовательность разнополярных импульсов с удвоенной частотой переключения.
Способ цифрового формирования широтно-модулированных сигналов для гидроакустики целесообразно рассматривать совместно с описанием работы реализующих его устройств (фиг. 1, фиг. 2) и диаграмм сигналов, поясняющих их принцип действия.
В устройстве, представленном на фиг. 1, для реализации заявляемого способа обеспечивается формирование одностороннего нарастающего пилообразного цифрового сигнала VP из условия:
k
k+1
где t, t определяют начало и окончание интервала формирования пилообразного цифрового сигнала.
Для цифровых сигналов функция текущего времени представляется дискретной функцией изменения временных интервалов в виде:
где
Н
t - начальный момент времени;
pk
T - k-й период пилообразного цифрового сигнала;
K - количество периодов пилообразного цифрового сигнала в периоде цифрового сигнала в периоде цифрового входного сигнала;
N - количество дискретных шагов в периоде пилообразного цифрового сигнала;
k, n - текущие значения дискретных интервалов.
pk
Выполнение условий (1), (2), (3) обеспечивает целочисленное количество периодов T пилообразного цифрового сигнала в периоде цифрового сигнала, что соответствует признакам заявляемого способа. При этом обеспечиваются равенства N=β, K=γ.
Таким образом, в результате сравнения пилообразного цифрового сигнала VP с периодическим входным цифровым сигналом формируется последовательность широтно-модулированных импульсов PWM:
s
p
Вследствие обеспечения целочисленного отношения T/T=γ период модулированной импульсной последовательности равен периоду входного цифрового сигнала.
Для входного цифрового сигнала, изменяющегося по гармоническому закону, отмеченное условие исключает из спектра широтно-модулируемых сигналов комбинированные составляющие с частотами, не совпадающими с частотой гармоник, чем достигается улучшение показателей качества формирования широтно-модулированного импульсного сигнала.
Реализация дополнительных преимуществ заявляемого способа формирования широтно-модулированных импульсных сигналов, обеспечивающих минимизацию частоты переключений при использовании двухканальной симметричной ШИМ, достигается в устройстве, представленном на фиг. 2. В состав устройства (фиг. 2), содержащего регистр 1 памяти, частотно-модулированный генератор 2, цифровой счетчик 3, компаратор 4, введен дополнительный компаратор 5, а цифровой счетчик 3 выполнен реверсивным, имеет прямой и инверсный выходы, соединенные соответственно с входами компараторов 4 и 5, другие входы, которые подключены к шине цифрового входного сигнала. На выходах компараторов 4 и 5 обеспечивается формирование первой и второй последовательностей широтно-модулированных импульсов (PWM1 и PWM2).
Согласно временным диаграммам, представленным на фиг. 4, цифровое формирование двух последовательностей широтно-модулированных импульсов с симметричной ШИМ осуществляется следующим образом. Реверсивный цифровой счетчик 3 при выполнении условий (1), (2), (3), определяющих целочисленное отношение частоты ШИМ и частоты цифрового сигнала, формирует два симметричных противофазных пилообразных цифровых сигнала VP1, VP2 (фиг. 4).
С учетом дискретной функции изменения временных интервалов (4) симметричные пилообразные сигналы VP1 и VP2 определяются следующим соотношением:
В результате сравнения цифровых сигналов VP1 и VP2 с цифровым входным сигналом S обеспечивается формирование двух модулированных импульсных последовательностей PW1, PW2, соответствующих симметричной двухканальной ШИМ (фигура 4):
Сформированные импульсные сигналы PW1, PW2 могут быть использованы по известным правилам для управления двухканальным КУМ, например выполненным по мостовой схеме [4]. В результате формируется суммарное импульсное напряжение VPWM с частотой следования импульсов в два раза выше частоты исходных сигналов PWM1 и PWM2,
Реализация дополнительных признаков заявляемого способа цифрового формирования широтно-модулированных импульсных сигналов, обеспеченная в устройстве (фиг. 2), позволяет обеспечить минимизацию целочисленного отношения частоты ШИМ при улучшенных показателях качества суммарного импульсного сигнала. С учетом удвоения частоты суммарного импульсного напряжения может быть реализовано минимальное отношение частот ω/Ω=3. При этом в спектре суммарной модулированной импульсной последовательности присутствуют только нечетные гармоники модулирующего гармонического сигнала, причем относительный уровень третьей гармоники, определяющей основные гармонические искажения, не превышает 3-5% в динамическом диапазоне 30-40 дБ.
Выделенные преимущества заявляемого способа обеспечивают уменьшение искажений ультразвуковых сигналов при минимизации потерь энергии в генераторных устройствах за счет минимизации частоты ШИМ, что делает целесообразным внедрение предлагаемого технического решения в передающие тракты ГАС ОБО.
На нашем предприятии изготовлен и проходит испытания опытный образец многоканального цифрового генераторного устройства, в одном из режимов работы которого реализован предлагаемый способ цифрового формирования широтно-модулированных импульсных сигналов. Проведена оценка спектрального состава импульсного сигнала с двухканальной симметричной ШИМ при модуляции гармоническим частотно-модулированным сигналом с относительной полосой модуляции 0,3 октавы в условиях использования способа с постоянной частотой ШИМ и заявляемого способа с синхронизацией частоты ШИМ с частотой модулирующего сигнала из условия целочисленного отношения частот. Спектрограммы импульсных сигналов при частоте ω≈5Ω приведены на фиг. 5 для синхронной частоты ШИМ (фиг. 5.а) согласно заявляемому способу и для фиксированной частоты ШИМ (фиг. 5.б).
Сопоставительный анализ спектров импульсных сигналов убедительно показывает преимущества предлагаемого технического решения.
В случае ШИМ с фиксированной частотой ближайшая гармоника (Ω3=352) достигает -30 дБ от уровня полезного сигнала (Ω), в спектре присутствуют 5 гармоника -50 дБ и 7 гармоника -16 дБ, а также имеют место фоновые спектральные составляющие во всей полосе частот на уровне -60…-70 дБ.
Применение синхронной ШИМ позволяет значительно улучшить структуру спектра импульсного сигнала: относительная величина 3-й гармоники не превышает -42 дБ; 5-я гармоника отсутствует; 7-я гармоника составляет менее -27 дБ. Важным обстоятельством является отсутствие фоновых комбинационных составляющих спектра.
Приведенный пример подтверждает возможность уменьшения нелинейных искажений импульсных сигналов в 3-4 раза при внедрении заявляемого способа цифрового формирования в условиях минимизации частоты переключения, что принципиально для внедрения в ультразвуковые гидроакустические передающие тракты, например используемые в ГАС ОБО.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Александров В.А., Потапов А.И. Новый тип генераторного устройства для режима освещения ближней обстановки. - Сборник трудов X всероссийской конференции Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики, СПб.: Наука, 2010 г., с. 160-163.
2. Патент РФ №2237920. Устройство для функционального преобразования ШИМ-сигналов, опубл. 10.10.2004.
3. Патент РФ №2172062. Цифровой широтно-импульсный модулятор, опубл. 10.08.2001.
4. Патент США №2004212524. PWM signal generator and PWM signal generating method, опубл. 28.10.2004.
5. Кибакин B.M. Основы ключевых методов усиления. - М.: Энергия, 1980, 232 с.
6. Патент РФ №2308800. Цифровой широтно-импульсный модулятор с распределенной спектральной характеристикой, опубл. 20.10.2007.