ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО С УВЕЛИЧЕННЫМ ДИНАМИЧЕСКИМ ДИАПАЗОНОМ

Полезная модель относится к технике связи, обнаружения, телекоммуникаций, радиолокации, радиотехнике и может быть использована для построения приемного тракта аппаратуры связного или радиолокационного назначения, радиотехнической разведки и радиотехнического контроля, прочих устройств с широкополосным, быстродействующим, высокоселективным и чувствительным приемником.
В радиоэлектронных устройствах, выполняющих анализ сигнала, принятого приемной антенной из эфира, используются различные методы цифровой обработки сигналов (ЦОС). Все подобные устройства содержат аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для преобразования сигнала из аналоговой в цифровую форму: сигнал с приемной антенны поступает на блок аналоговой обработки, затем на АЦП и далее уже в цифровом виде на устройство ЦОС. В блоке аналоговой обработки осуществляется преобразование аналогового сигнала радиочастоты в пригодный для оцифровки вид: здесь происходит предварительное усиление и фильтрация, перенос сигнала на определенную оптимальную для оцифровки сигнала частоту. Блок цифровой обработки сигналов представляет собой, как правило, программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) или специализированный сигнальный процессор, в котором происходит основная обработка сигнала. Особенностью АЦП является наличие относительно высокого уровня шума, связанного с дискретностью преобразователя по амплитуде (шумы квантования). Это приводит к тому, что аналоговый (или полезный) сигнал малой амплитуды на входе АЦП становится неприемлемо зашумленным и искаженным для дальнейшей обработки. Кроме того, в устройствах, требующих высокого быстродействия и широкой полосы частот одновременного обзора приемника, применяются АЦП с параллельным выходом. В таких преобразователях в каждый период тактовой частоты сразу на многих выводах микросхемы появляются новые цифровые отсчеты. При большом количестве выводов, состояние которых меняется с логического 0 на 1 (например, при переходе через нулевой уровень в представлении чисел в бинарном дополнении), происходят кратковременные большие выбросы тока в схеме. Эти выбросы могут попасть обратно на аналоговый вход (шумы обратной связи) и, коррелируя с определенными уровнями аналогового сигнала, подвергнуть его сильному искажению и зашумлению. Поэтому во входном блоке аналоговой обработки приемного устройства предварительно достаточно сильно усиливают аналоговый принимаемый сигнал. Но кроме аналогового сигнала на вход приемного устройства может поступить преднамеренная или случайная помеха высокого уровня. При достаточно высоком усилении блока аналоговой обработки это может привести к выходу сигнала за рамки линейности блока, или сигнал может оказаться выше максимального уровня входного сигнала АЦП. Поэтому такое решение приведет к уменьшению отклика приемника на аналоговый сигнал, т.е. в условиях мешающих помех сокращается динамический диапазон приемника.
Одним из возможных способов расширения динамического диапазона приемника является дизеринг, или дитеринг (см., например, "ADC Input Noise: The Good, The Bad, and The Ugly. Is No Noise Good Noise?" by Walt Kester, Analog Dialogue, vol. 40, #1, 2006, pp. 13-17). В процессе дизеринга осуществляется подмешивание псевдослучайного внеполосного сигнала, имеющего спектр, близкий к спектру «белого шума», к аналоговому сигналу, и подача смешанного сигнала на вход АЦП, чтобы вызвать дополнительные переключения АЦП для уменьшения негативного эффекта от квантования. Дополнительные переключения АЦП приводят к тому, что разные уровни аналогового сигнала тяготеют к разным вероятностям появления определенных переключений. Таким образом, после фильтрации аналогового сигнала в блоке ЦОС за счет этой дополнительной информации появляется более значимый отклик на аналоговый сигнал даже при небольшой его амплитуде, уменьшается его зашумленность и искажения, вызванные ошибками квантования. Амплитуда шума дизеринга выбирается таким образом, чтобы устранить нелинейные искажения при последующем квантовании. Если амплитуда дизеринга мала, нелинейные искажения будут устранены не полностью, либо амплитуда ошибки квантования будет меняться вместе с сигналом. Если амплитуда дизеринга велика, то шум станет заметным. Наиболее распространенным типом дизеринга является стандартный TPDF-дизеринг - белый шум с пиковой амплитудой ±1 LSB (least significant bit, шаг квантования) и треугольным распределением вероятности амплитуд.
Даже при амплитуде аналогового сигнала меньше уровня разрядной сетки АЦП (1 бит) аналоговый сигнал будет присутствовать на выходе цифрового фильтра ЦОС, тогда как в случае идеального АЦП такой же разрядности он имел бы нулевое значение. Аналогично уменьшается влияние шумов обратной связи. Так как к аналоговому подмешан псевдослучайный сигнал, переключения цифровых выходов АЦП более не коррелированы с уровнями аналогового сигнала, и влияние этого фактора также значительно уменьшается. Таким образом, становится возможным обеспечить сравнительно небольшое усиление блока аналоговой обработки и, как следствие, удается повысить динамический диапазон приемника.
Существуют способы реализации дизеринга, в том числе и встроенные непосредственно в АЦП. В известных способах реализации (см., например, спецификацию к микросхеме AD9650 производства Analog Devices) псевдослучайный сигнал, подмешивающийся к аналоговому сигналу на входе АЦП, производится в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП). После оцифровки суммы сигналов осуществляют фильтрацию простым вычитанием тех же цифровых отсчетов, которые были поданы на ЦАП. Таким образом, минимизируется влияние псевдослучайного сигнала на аналоговый сигнал. При этом способе не важно, на какой частоте находится аналоговый сигнал, и поэтому данное решение удобно в интегральной реализации внутри самого АЦП, так как не ограничивается диапазон рабочих частот аналогового сигнала. Однако это же является и недостатком, поскольку из-за ошибок и задержек такой схемы подмешивания-фильтрации псевдослучайный сигнал не может быть полностью подавлен в рабочем диапазоне аналогового сигнала. Вследствие этого неизбежно возникает дополнительная неустранимая зашумленность аналогового сигнала. Кроме того, для качественной реализации ЦАП для генерации псевдослучайного сигнала должен обладать высоким быстродействием и собственными низкими шумами, что вносит значительный вклад в техническую сложность и стоимость схемы в интегральной реализации на одном кристалле с АЦП.
Решаемой полезной моделью задачей является улучшение технико-эксплуатационных характеристик приемного тракта радиоэлектронного устройства.
Достигаемый технический результат - увеличение динамического диапазона приемного тракта радиоэлектронного устройства с цифровой обработкой сигналов за счет подмешивания такого псевдослучайного шумового сигнала к входу аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), который обеспечивает отсутствие зашумленности аналогового выходного сигнала.
Дополнительный технический результат, достигаемый в заявленном устройстве, заключается в упрощении конструкции, обеспечении универсальности при использовании любых типов АЦП, простота адаптации шумового сигнала к различным видам и уровням аналогового сигнала.
Для решения поставленной задачи с достижением указанных технических результатов заявленное приемное устройство содержит антенну, блок аналоговой обработки, выполненный с возможностью формирования аналогового сигнала с частотой, пригодной для оцифровки, смеситель, блок аналого-цифрового преобразования, блок цифровой обработки сигналов, соединенные последовательно, и шумовой генератор, подсоединенный своим выходом ко второму входу смесителя. Выход блока цифровой обработки сигналов служит информационным выходом данных. В качестве шумового генератора использованы блок цифровой обработки сигналов, а также введенные полосовой фильтр и аттенюатор, соединенные последовательно. Блок цифровой обработки сигналов выполнен с возможностью формирования на втором дополнительном его выходе шумового сигнала с частотой вне полосы частот аналогового сигнала со скважностью, псевдослучайным образом зависящей от времени, причем вход полосового фильтра подсоединен к дополнительному выходу блока цифровой обработки сигналов, а выход аттенюатора - ко второму входу смесителя.
Указанные преимущества, а также особенности настоящей полезной поясняются с помощью предпочтительного, но не единственно возможного варианта ее выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.
Фиг. 1 изображает блок-схему приемного тракта радиоэлектронного устройства согласно предшествующему уровню техники, где 1 - приемная антенна, 2 - блок аналоговой обработки, 3 - смеситель, 4 - блок аналого-цифрового преобразования (АЦП), 5 - блок цифровой обработки сигналов (ЦОС), 6 - шумовой генератор.
Фиг. 2 изображает блок-схему заявленного устройства, где 1 - приемная антенна, 2 - блок аналоговой обработки, 3 - смеситель, 4 - блок аналого-цифрового преобразования (АЦП), 5 - блок цифровой обработки сигналов (ЦОС), 6 - шумовой генератор, 7 - полосовой фильтр, 8 - аттенюатор.
Для предшествующего уровня техники характерна следующая типовая блок-схема приемного устройства (фиг. 1), использующего дизеринг для расширения динамического диапазона его работы.
Известное приемное устройство (фиг. 1) содержит антенну 1, блок аналоговой обработки 2, смеситель 3, блок аналого-цифрового преобразования 4 (АЦП), блок цифровой обработки сигналов 5 (ЦОС), соединенные последовательно, и шумовой генератор 6, подсоединенный ко второму входу смесителя 3. Основной выход блока ЦОС 5 представляет собой информационный выход данных.
Заявленное приемное устройство (фиг. 2) также содержит антенну 1, блок аналоговой обработки 2, смеситель 3, блок аналого-цифрового преобразования 4 (АЦП), блок цифровой обработки сигналов 5 (ЦОС), соединенные последовательно, и шумовой генератор 6, подсоединенный ко второму входу смесителя 3.
В качестве шумового генератора 6 в заявленном приемном устройстве использованы блок цифровой обработки сигналов 5 (ЦОС) и введенные полосовой фильтр 7 (пассивный) и аттенюатор 8, соединенные последовательно, причем вход полосового фильтра 7 подсоединен к дополнительному выходу блока ЦОС 5, а выход аттенюатора 8 - ко второму входу смесителя 3. Основной первый выход блока ЦОС 5 представляет собой информационный выход данных.
Работает заявленное приемное устройство (фиг.2) следующим образом.
Принимаемый радиочастотный сигнал с антенны 1 поступает в блок 2 аналоговой обработки, в котором он усиливается, предварительно фильтруется и преобразуется из радиочастотного сигнала в пригодный для оцифровки вид с определенной, оптимальной для оцифровки частотой. Этот сигнал через смеситель 3 поступает на блок АЦП 4, где производится аналого-цифровое преобразование сигнала. С блока АЦП 4 оцифрованный сигнал поступает в блок ЦОС 5, который представляет собой ПЛИС или процессор.
ПЛИС (или процессор) блока ЦОС 5 обеспечивает формирование дополнительного сигнала вне полосы частот основного оцифрованного сигнала со скважностью, псевдослучайным образом зависящей от времени, и спектром, соответствующим спектру белого шума. Этот дополнительный сигнал поступает с дополнительного выхода блока ЦОС 5 на вход полосового фильтра 7, пропускная полоса частот которого соответствует полосе частот за пределами полосы частот основного сигнала. Таким образом, формируется шумоподобный сигнал, не имеющий в частотной области компонент в пределах полосы аналогового сигнала.
Затем указанный дополнительный сигнал через аттенюатор 8, который снижает уровень дополнительного сигнала до значения ниже максимально допустимого уровня входного сигнала блока АЦП 5, поступает на второй вход смесителя 3. Смеситель 3 осуществляет смешивание аналогового сигнала, поступающего с выхода блока 2 аналоговой обработки на вход смесителя 3 и дополнительного сигнала, поступающего с выхода аттенюатора 8 на второй вход смесителя 3 для следующего отсчета. Процесс повторяется для каждого из отсчетов, обеспечивая дополнительные переключения блока АЦП 5 с повышением отклика на основной сигнал, поступающий с выхода блока 2 аналоговой обработки. Таким образом, в заявленном техническом решении обеспечивается обратная связь от блока ЦОС 5 по цепи полосовой фильтр 7 - аттенюатор 8 ко второму входу смесителя 3.
В заявленном техническом решении шумовой сигнал (псевдослучайный, со спектром, соответствующим спектру белого шума) формируется на одном из цифровых выводов микросхемы блока ЦОС 5 и полосовым фильтром 7 (пассивным, аналоговым). Так как заранее известно, какую частоту и полосу занимает аналоговый низкочастотный сигнал на входе блока АЦП 4, а при проектировании частота оцифровки блока АЦП 4 выбирается с хорошим запасом относительно полосы аналогового сигнала для качественной защиты от наложения, всегда есть возможность сформировать шумовой сигнал на частоте и в полосе, далеко отстоящей от аналогового сигнала. Вследствие этого в блоке ЦОС 5 удается практически полностью подавить эту полосу частот цифровыми методами, исключив дополнительную зашумленность аналогового сигнала, за счет чего достигается заявленный технический результат полезной модели.
Преимуществами заявленного приемного устройства перед известными техническими решениями являются:
- меньшая зашумленность в полосе частот аналогового сигнала при смешивании с шумовым за счет того, что шумовой сигнал формируется в блоке ЦОС вне полосы частот аналогового, а полосовой фильтр 7 подавляет всевозможные остаточные частотные компоненты сформированного шумового сигнала в полосе частот аналогового сигнала; как следствие, более высокие чувствительность и динамический диапазон приемного тракта;
- простота реализации: используется всего лишь один цифровой пин микросхемы блока ЦОС 5 и простая схема пассивной фильтрации и аттенюации;
- универсальность: подходит для любых типов АЦП;
- гибкость: так как псевдослучайный шумовой сигнал формируется в блоке ЦОС 5 непосредственно в микросхеме, подключенной к блоку АЦП 4 и осуществляющей быструю обработку принятого сигнала, существует возможность удобного и быстрого управления шумовым сигналом и его адаптации к различным видам и уровням аналогового сигнала.
Наиболее успешно заявленное приемное устройство с увеличенным динамическим диапазоном его осуществления промышленно применимо для построения приемного тракта аппаратуры связного или радиолокационного назначения, радиотехнической разведки и радиотехнического контроля, прочих устройств с широкополосным, быстродействующим, высокоселективным и чувствительным приемником.