КОНЕЧНО-РАЗНОСТНЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

1. Название полезной модели
Конечно-разностный аналого-цифровой преобразователь радиосигналов.
2. Область техники, к которой относится полезная модель
Аналого-цифровой преобразователь предлагаемого типа применим для преобразования аналоговых сигналов в цифровые коды отсчетов и может быть использован в широком классе электронных устройств обработки радиосигналов.
3. Уровень техники
Предлагаемое решение предназначено для увеличения предельного динамического диапазона входных сигналов микросхем аналого-цифровых преобразователей.
В практике применения аналого-цифровых преобразователей для достижения большего предельного динамического диапазона преобразуемых сигналов используют непосредственно подходящие микросхемы преобразователей.
Для увеличения динамического диапазона при аналого-цифровом преобразовании видеосигналов применяют аналого-цифровые преобразователи с логарифмической характеристикой преобразования.
Аппаратных решений для увеличения предельного динамического диапазона при недеструктивных аналого-цифровых преобразованиях радиосигналов неизвестно.
4. Раскрытие полезной модели
Сведения, раскрывающие сущность полезной модели.
В теории сигналов известно, что динамический диапазон широкополосных радиосигналов зависит от ширины спектра и энергии сигнала. Для детерминированных радиосигналов с ограниченным
спектром, динамический диапазон сигнала производной S'(t) в среднем на 12 дБ меньше динамического диапазона исходного радиосигнала S(t).
Для дискретных систем, когда сигнал представлен в виде выборок, при замене производных конечными дифференциалами динамический диапазон модифицированного (оператором дифференцирования) сигнала может быть еще более уменьшен при увеличении частоты дискретизации.
т.е. при уменьшении Δt разность в числителе тоже уменьшится, т.к. величина производной определяется видом сигнала и от параметров системы не зависит.
k+1
k
т.е. (S-S)→0, при Δt→0.
Т.е. абсолютная разница между двумя последующими выборками тем меньше, чем меньше временной интервал между ними - период дискретизации - Δt.
В предлагаемой модели предлагается непосредственно аналого-цифровому преобразованию подвергать абсолютную разность между каждыми двумя последующими выборками в потоке дискретного сигнала. Т.е. на вход аналого-цифрового преобразователя предлагается подавать сигнал функции дифференциала входного сигнала.
Расчеты показывают, что динамический диапазон сигнала дифференциала уменьшается во столько раз, во сколько раз уменьшается период дискретизации сигналов - Δt. При этом на цифровом выходе аналого-цифрового преобразователя, при воздействии на аналоговый вход
k+1
k
k
сигналов дифференциала S-S, будут наблюдаться коды сигнала дифференциала - z′. Для получения кодов исходного радиосигнала необходимо выполнить операцию численного суммирования
Данный подход обусловлен тем, что в дискретных моделях сигналов, операция суммирования эквивалентна операции интегрирования в непрерывных моделях. Т.е. при последовательном выполнения операторов дифференцирования и интегрирования над непрерывной функцией, не происходит искажения исходной непрерывной функции. Здесь, для получения цифровых кодов отсчетов радиосигналов, предлагается последовательно выполнить операцию аналогового дифференцирования, аналого-цифрового преобразования и операцию численного суммирования.
Структурная схема предлагаемой модели конечно-разностного АЦП приведена на рисунке 1.
Последовательность операций преобразования сигналов в предлагаемой модели аналого-цифрового преобразования:
- аналоговое дифференцирование входного радиосигнала;
- аналого-цифровое преобразование дифференцированного радиосигнала;
- восстановление суммированием цифровых отсчетов исходного радиосигнала из отсчетов дифференцированного радиосигнала.
Предлагаемый конечно-разностный аналого-цифровой преобразователь состоит из последовательно включенного дифференцирующего звена,
элемента аналого-цифрового преобразования и цифрового суммирующего элемента.
в
Для радиосигнала, верхняя граничная частота спектра которого равна f, при использовании предлагаемого метода аналого-цифрового преобразования предельный динамический диапазон преобразователя увеличивается на величину L выражаемую в децибелах, определяемую по формуле:
д
д
в
где f - частота дискретизации, причем в соответствии с теоремой Котельникова [1],f≥2f. При этом предельный динамический диапазон аналого-цифрового преобразователя составит
,
АЦП
где L - динамический диапазон звена аналого-цифрового преобразоватния.
Признаки, используемые для характеристики полезной модели. Признаками является следующее:
- увеличенное значение предельного динамического диапазона конечно-разностного аналого-цифрового преобразователя, по сравнению с предельным динамическим диапазоном сигналов примененного звена аналого-цифрового преобразователя;
наличие аналогового дифференцирующего звена на входе преобразователя уменьшает динамический диапазон сигналов поступающих непосредственно на элемент аналого-цифрового преобразователя;
- наличие цифрового суммирующего звена на выходе преобразователя позволяет получать на выходе отсчеты неискаженного входного радиосигнала;
- данная модель аналого-цифрового преобразования радиосигнлоа инварианта к типу (методу преобразования, схемотехники и прочим
технически характеристикам) применяемого элемента аналого-цифрового преобразователя;
д
- динамический диапазон предлагаемого преобразователя может быть регулируемым с помощью установления нужной частоты дискретизации -f,
- предлагаемый аналого-цифровой преобразователь нечувствителен к наличию постоянной составляющей в спектре входного радиосигнала;
5. Краткое описание чертежей
Заявка содержит один чертеж, содержащий три риснука - «а», «б», и «в».
Чертеж 1 рисунок «а» - Структурная схема конечно-разностного аналого-цифрового преобразователя.
На данном рисунке применены следующие обозначения:
ЛЗ - линия задержки радиосигнала на время Δt. S(t) - радиосигнал сигнал на входе конечно-разностного аналого-цифрового преобразователя;
АЦП - звено аналого-цифрового преобразователя;
S′(t) - дифференциал входного сигнала;
k
z′ - цифровой код отсчета дифференцированного сигнала S'(t);
k
z - цифровой код отсчета входного радиосигнала S(t).
Чертеж 1 рисунок «б» - структурная схема варианта реализации
широкополосного дифференцирующего звена.
На данном рисунке применены следующие обозначения:
ДУ- дифференциальный усилитель.
Чертеж 1 рисунок «в» - структурная схема варианта реализации линии задержки с помощью устройств выборки-хранения.
На данном рисунке применены следующие обозначения:
УВХ1 и УВХ2 - устройства выборки хранения;
д
д
S(t) - тактовый сигнал с частотой дискретизации f.
6. Осуществление полезной модели
Данная полезная модель реализуется в электронных устройствах преобразования радиосигналов в цифровую форму, для последующей обработки или запоминания копии радиосигнала.
Предлагаемую полезную модель возможно осуществить в интегральном либо распределенном печатном исполнении. В соответствии с описанием, предлагаемая модель аналого-цифрового преобразования содержит три функциональных элемента: дифференцирующее звено, звено аналого-цифрового преобразования и суммирующее звено. В случае распределенного исполнения на печатной плате электронного устройства располагают соответственно дифференцирующее звено, звено аналого-цифрового преобразования - соответствующую интегральную микросхему, и звено суммирования. Данная организация может быть перенесена в микроисполнение и топологически размещена на едином кристалле полупроводниковой интегральной схемы - в этом случае реализация будет интегральной.
Дифференцирующая звено реализуется с помощью различных подходов:
- широкополосный дифференциатор на линии задержки;
- цепь дифференцирования, передаточная характеристика которого в операторной форме описывается выражением , либо содержит данное выражение в качестве множителя.
Структурная схема широкополосного дифференциатора на лини задержки представлена на рисунке (б) чертежа1 и состоит ил линии задержки сигнала и дифференциального усилителя. Напряжение на выходе линии задержки повторяет напряжение на входе линии задержки смещенное на Δt по времени. Напряжение на выходе дифференциального усилителя пропорционально разности напряжений на входе и выходе линии задержки, т.е. пропорционально дифференциалу.
д
Линия задержки может быть реализована да двух последовательно включенных звеньев аналоговых устройств выборки-хранения - УВХ. Структурная схема линии задержки на УВХ представлена на рисунке (в) чертежа 1. Устройство выборки хранения сохраняет постоянным на выходе, т.е. осуществляет временную выборку, значение переменного напряжения воздействующего на вход в момент поступления фронта сигнала дискретизации S(t) на вход синхронизации УВХ. Период сигнала дискретизации , где Δt - значение времени задержки.
Цепь дифференцирования с передаточной характеристикой в операторной форме о , либо содержащая данное выражение в качестве множителя, может быть реализована в виде звена фильтра высоких частот, и при этом является относительно узкополосной.
Основным направлением внедрения данной полезной модели в технике является построение схемотехнических решений аналого-цифровых преобразователей сигналов с увеличенным предельным динамическим диапазоном на основе звеньев аналого-цифровых преобразователей с меньшим динамическим диапазоном.
Литература:
[1]. Баскаков С.И., «Радиотехнические цепи и сигналы». Высшая школа: 2003.