8.4. ЦИФРОВАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ

При проектировании цифровых устройств широкополосных ФМ радиоприемников ССРНС возникают три группы задач: принципы построения собственно цифровых приемников и алгоритмы их работы, реализация приемников на элементной базе перспективных технологий и обеспечение необходимой помехоустойчивости. По принципам построения различают приемники аналого-дискретные (цифровые), чисто цифровые на БИС и на микропроцессорах. Наиболее перспективны два последних вида. Как правило, среди них рассматривают два варианта: самостоятельные цифровые устройства и дискретные приближения аналоговых приемников — цифровые согласованные фильтры, цифровые корреляторы и цифровые следящие системы. На практике чаще всего применяют приемники на базе цифровых корреляторов.

Следует отметить, что цифровая обработка по сравнению с аналоговой обладает такими преимуществами, которые позволяют:

проводить весьма сложные преобразования сигналов с помощью стандартных элементов и узлов;

обеспечивать более высокую точность и стабильность обработки;

осуществлять накопление информации за большие промежутки времени;

передавать выходные сигналы в цифровом виде для дальнейшей обработки, которая, как правило, выполняется микропроцессорами и микроЭВМ.

При этом аналоговые радиосигналы преобразуются в цифровые аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), которые выполняют операции квантования сигнала (смеси сигнала и шума) как по амплитуде, так и по времени. В зависимости от места расположения АЦП различают цифровые следящие системы двух подклассов: с АЦП до петли слежения и с АЦП внутри нее.

При расположении АЦП внутри петли на входы дискриминатора поступают аналоговая входная смесь и аналоговый выходной сигнал. В этом случае следящая система является аналого-цифровой. Квантованию подвергается напряжение с выхода дискриминатора. При многоуровневом квантовании сигнал ошибки зависит как от рассогласования по измеряемому параметру, так и от амплитуды входной смеси. Фазовая манипуляция сигналов ССРНС позволяет избавиться от амплитудной зависимости путем применения жесткого ограничения входной смеси сигнала и шума. Подобные устройства цифровой обработки сигналов НИСЗ применялись в АП на первом и втором этапах развертывания ССРНС «Навстар».

При расположении АЦП до петли системы слежения на вход дискриминатора поступают цифровые отсчеты, предварительно образованные из входной смеси в фиксированные равноотстоящие моменты времени. Цифровой дискриминатор сравнивает эти отсчеты с цифровыми отсчетами выходного сигнала, полученными на эти же моменты времени. Если во всех точках петли слежения циркулируют коды, систему считают полностью цифровой. По мере совершенствования технологии изготовления сверхскоростных СБИС все более проявляется тенденция разработчиков к переходу на полностью цифровые системы. Пример реализации полностью цифровой АП рассматривается в гл. 9.

Необходимо отметить, что поскольку в АП имеется несколько петель слежения, то можно так организовать первичную обработку, чтобы один и тот же АЦП находился вне петли слежения, например в ФАП, и внутри нее — в ССЗ.

При построении цифровых систем существен выбор числа уровней квантования в АЦП. Теоретический анализ [170] показывает, что при невысоких требованиях к помехоустойчивости для упрощения можно применить бинарное квантование по амплитуде и фазе. В этом случае при отсутствии мощных синусоидальных помех потери в реальных схемах приближаются к теоретическому пределу — около 3 дБ. С увеличением уровня помех появляются интермодуляционные помехи, уровень которых приближается к уровню полезного сигнала при любых значениях его фазы. Такой режим обладает малой помехоустойчивостью. При росте числа уровней квантования характеристики цифровых устройств начинают резко улучшаться, приближаясь к аналоговым, ослабляются интермодуляционные помехи, а также

уменьшается подавление слабого сигнала сильными и слабого сигнала шумом. При большом входном шуме, характерном для АП, многоуровневое квантование практически уменьшает только подавление слабого сигнала шумом. Наиболее эффективно 6—8 уровней квантования. Для обеспечения высокой помехоустойчивости цифрового приемника с многоуровневым квантователем в случае переменных помех необходимо перед квантователем использовать специальную АРУ, которая поддерживает постоянным входной сигнал квантователя в пределах линейной части ее апертуры.

Представляется интересным рассмотреть методы цифровой обработки радиосигналов ССРНС «Навстар» в типовом приемнике АП. Известны [167] три варианта формирования цифровых выборок синфазной и квадратурной составляющих. В первом варианте аналого-цифровое преобразование выполняется в квадратурных смесителях после переноса спектра на нулевую частоту, а цифровые выборки формируются путем аналого-цифрового преобразования амплитуды сигналов в точках (см. рис. 8.6). Во втором варианте цифровые выборки формируются АЦП из амплитуды сигнала промежуточной частоты, причем интервал выборки представляет собой целое число периодов промежуточной частоты, а интервал между выборками равен нечетному числу четвертей периода промежуточной частоты. В третьем варианте формируются цифровые фазовые выборки сигнала промежуточной частоты, пропущенного через «жесткий» ограничитель по амплитуде. Для АЦП фазы используется счетчик, показания которого считываются в момент пересечения нулевого уровня положительного полупериода сигнала промежуточной частоты. Из этого показания счетчика вычитается расчетное приращение значения фазы за период квантования, и в цифровом виде фазовая ошибка преобразуется в квадратурные составляющие, которые затем накапливаются в соответствии с выражениями

Преимуществом первого варианта формирования сигналов является его простота, недостатком — необходимость относительно большого числа аналоговых компонентов при требовании балансировки сигналов по фазе и амплитуде.

Достоинство второго варианта формирования сигналов состоит в меньшем, чем в первом варианте, числе аналоговых

компонентов схемотехники и в отсутствии требований к балансировке сигналов по фазе и амплитуде, а недостаток — в критичности к синхронизации.

Преимущество третьего варианта заключается в том, что отпадает необходимость в аналоговых компонентах схемы выработки сигналов и для реализации может быть использован микропроцессор. Недостаток состоит в том, что реализация варианта вызывает дополнительные потери более в отношении сигнал-шум.

Последующая обработка цифровых выборок заключается в формировании сигналов ошибок следящих систем, выделении (демодуляции) символов информационного сообщения, оценок отношения сигнал-шум, которые выполняются, как правило, в микропроцессоре.

Сигнал ошибки системы ФАП вычисляется по формуле

Сигнал ошибки системы ЧАП

при здесь ошибка по частоте, ширина линейного участка дискриминационной характеристики ЧАП.

Сигнал ошибки по задержке кода с -качанием вычисляется как разность значений функции взаимной корреляции принимаемого кода С/А или с опережающей и отстающей ПСП по формуле

где значение функции взаимной корреляции с опережающей (ранней) или отстающей (поздней) ПСП соответственно. Это выражение, которое представляет собой оценку функции взаимной корреляции, используется для обнаружения сигнала и оценки отношения сигнал-шум.

Выделение (демодуляция) информационных символов производится по формуле

где равно числу выборок синфазной составляющей на интервале времени, равном длительности бита передаваемой информации.

Следует отметить, что для замены сложных операций возведения в квадрат квадратурных составляющих и извлечения корня широко используются более простые операции суммирования модулей квадратур по алгоритмам, реализующим «модульный» принцип, построения приемников радиосигналов [105].

Дальнейшая обработка рассмотренных сигналов выполняется в цифровых фильтрах сглаживающих цепей, которые реализуются программно в микропроцессорах или встраиваемых микроЭВМ АП. Структуры цифровых фильтров могут определяться тремя методами: построением цифровых эквивалентов аналоговых прототипов (рассмотренных в § 8.3), эвристически и статистическим синтезом после АЦП с использованием методов статистических решений, в частности, методов марковской теории оптимальной непрерывно-дискретной фильтрации [156].

В последнем случае уравнения непрерывной нелинейной фильтрации (7.17) — (7.18) видоизменяются на их дискретные аналоги:

где экстраполированная на один шаг оценка вектора для нахождения которой не используется результат последнего измерения; апостериорная оценка вектора для нахождения которого используется результат последнего измерения; корреляционная матрица ошибок оценки предыдущего шага; корреляционная матрица ошибок апостериорной оценки; А — матрица, зависящая от ошибок, производной сигнала и шумов; В — матрица, зависящая от производных сигнала, ошибок и шумов; вектор сигнала ошибки, зависящий от оценки предыдущего шага.

Несмотря на сложность этих рекуррентных выражений, они достаточно просто реализуются программно.

В заключение следует отметить, что программная реализация алгоритмов фильтрации открывает широкие возможности для использования в АП цифровых фильтров различных видов с разной формой структуры [169]. Например, интеграторы структуры на рис. 8.7 реализуются суммированием входной величины данного такта с задержанной на один такт суммой этих величин на предыдущих тактах. Для задержки используют хранение данных в ОЗУ.