CC BY
296
Радиофизика
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2012, № 1 (1), с. 62-71
УДК 621.375
АДАПТИВНОЕ УВЕЛИЧЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА ЦИФРОВОГО ПРИЕМНИКА
© 2012 г. П.В. Кузнецов
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
Поступила в редакцию 19.01.2011
Представлены экспериментальные результаты исследования усилительного каскада цифрового радиоприемного устройства с адаптивно изменяющимся динамическим диапазоном. Приведены результаты компьютерного и физического моделирования.
Ключевые слова: цифровое радиоприемное устройство, динамический диапазон, усиление, помехоустойчивость.
Введение
При современном уровне технологии большинство радиоприемников и передатчиков могут быть реализованы в цифровой форме. В максимальном приближении цифровой части радиоприемных устройств (РПУ) к антенне кроется множество преимуществ. Фактически размещение аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на выходе высокочастотной части и выполнение непосредственной дискретизации на радиочастоте или на промежуточной частоте может показаться привлекательным, однако имеет несколько серьезных недостатков (в частности, в отношении чувствительности и внеполосного подавления), поэтому проектирование цифровых радиоприемных устройств (ЦРПУ) — весьма сложное искусство, представляющее собой поиск компромиссов и выгодных разменов между количеством преобразований частоты, величинами промежуточных частот, сложностью схемотехники каждого каскада приемника, цифровой обработки радиосигнала и т.д.
Разработчики приемных и передающих сигнальных процессоров (RSP и TSP) стремятся достичь высоких параметров приема (чувствительность, избирательность и пр.), используя структуру с единственным преобразованием частоты. При этом устраняется необходимость применения сложного внешнего полосового фильтра. Фактически множество фильтров, которые легко реализуются программно, невозможно спроектировать в аналоговом виде. Единственным аналоговым каскадом ЦРПУ остается преселектор, который обязательно должен включать в себя антиэлайсинговый фильтр (фильтр помех наложения, возникающих при последующем аналого-цифровом преобразовании сигнала) [1].
Параметры ЦРПУ
Основными параметрами ЦРПУ являются чувствительность, определяемая коэффициентом шума, частота дискретизации АЦП ^ и динамический диапазон.
Порог чувствительности ЦРПУ главным образом будет определяться тепловым шумом и шумом квантования АЦП. Вклад теплового шума определяется формулой мощности теплового шума:
Nt = кТ№,
где £=1.38 •10-23Дж/К - постоянная Больцмана, T -температура в градусах Кельвина, ДF - ширина спектра сигнала.
Средняя мощность шума квантования Nq для ошибок квантования, равномерно распределенных на интервале квантования, определяется как
где q - интервал (шаг) квантования в вольтах.
Для современных АЦП минимально достижимый шаг квантования таков, что требуется значительное усиление сигналов в аналоговой части приемного тракта (АЧПТ), поэтому при проектировании реальных устройств с применением АЦП целесообразно, чтобы им предшествовали малошумящие усилительные каскады (LNA). Кроме того, АЦП имеет относительно высокий коэффициент шума в сравнении с другими каскадами [1]. При применении предварительного усилителя, согласно формуле Фрииса, влияние коэффициента шума АЦП на общий коэффициент шума устройства будет значительно ниже:
F -1
ГГ _ ГГ I ADC 1
F - flna +~K------- ’
KLNA
где Flna — коэффициент шума LNA; FADC — коэффициент шума АЦП; Klna — коэффициент передачи малошумящего усилителя.
Отношение сигнал/шум N-битного идеального АЦП определяется следующей формулой [2]:
SNR = 6.02N+1.76, дБ. (1)
Для выбора частоты дискретизацииf в зависимости от несущей частоты сигнала fc и ширины его спектра AF могут быть использованы два ключевых выражения [2, 3]:
4 f
fs>2AF и f -------J-^~ ,
2NZ -1
где NZ=1, 2, 3... — номер зоны Найквиста, в которую попадает несущая сигнала (зоной Найквиста называется полоса частот от 0 до f/2. Весь частотный спектр делится на бесконечное число зон Найквиста, равных по ширине f/2).
Во многих системах реальный информационный сигнал занимает полосу AF, гораздо меньшую, чем f/2. Если для фильтрации шумовых составляющих, расположенных вне полосы AF сигнала, используется цифровой фильтр, то в выражение (1) вносится корректирующий коэффициент (называемый выигрышем за счет обработки), который учитывает результирующее увеличение SNR и в некоторых приложениях может быть весьма значительным [2]:
SNR - 6.02N +1.76 + 10lg
2AF
, дБ.
Особое внимание при разработке ЦРПУ уделяют динамическому диапазону АЦП. Так, важной характеристикой АЦП, применяемого в ЦРПУ, является динамический диапазон, свободный от помех (SFDR в зарубежных источниках). Динамический диапазон (ДД) АЦП определяется как отношение среднеквадратического значения амплитуды сигнала к среднеквадратическому значению максимальной побочной по-меховой спектральной составляющей, измеренной в интересующем диапазоне частот (обычно от 0 до fs/2), хотя на практике полезный сигнал занимает меньшую полосу. Иногда спектр частот делится на области внутри полосы и вне
полосы интересующего сигнала (фильтруемые цифровым способом). В данном случае в спецификации могут быть указаны параметры ДД в полосе сигнала и внеполосный ДД отдельно. Увеличение разрешения АЦП может быть использовано для увеличения SNR, однако при этом ДД может и не улучшиться. При максимизации ДД в высокоскоростных АЦП существует два существенных ограничения: первое обусловлено искажениями, вносимыми предварительным усилителем и устройством выборки и хранения, второе связано с нелинейностью реальной передаточной характеристики кодирующей части АЦП. Ключом к достижению высокого ДД является минимизация нелинейности каждого из этих блоков, в частности минимизация нелинейности предварительного усиления.
Из вышесказанного следует, что наиболее актуальные задачи при проектировании ЦРПУ -расширение динамического диапазона АЧПТ цифровых приемников и восстановление нормального функционирования ЦРПУ при воздействии помех, превышающих по мощности ДД АЧПТ ЦРПУ. Особенно это важно тогда, когда широко применяемые на практике методы, например автоматическая регулировка усиления или фильтрация, уже работают недостаточно эффективно.
Метод адаптивного увеличения динамического диапазона
Объединение некоторых функций аналогового приемника и ЦРПУ показало свою эффективность при решении задачи увеличения ДД ЦРПУ. Обобщенная структурная схема ЦРПУ имеет вид, приведенный на рис. 1.
Для решения задачи увеличения ДД ЦРПУ было предложено особым образом включить основной усилитель АЧПТ приемника в цепь «обратной» связи с ЭВМ. Функциональная схема предложенного ЦРПУ с адаптивным ДД представлена на рис. 2 [4].
АЧПТ - аналоговая часть приемного тракта АЦП - аналого-цифровой преобразователь БУ - блок управления АЧПТ ЭВМ - электронно-вычислительное устройство —► - аналоговые шины —► - цифровые шины
Рис. 1. Обобщенная структурная схема ЦРПУ
Рис. 3. Перегрузка по крутизне (U(t) — ожидаемое напряжение смещения, V(t) — напряжение смещения, формируемое схемой компенсации)
ЦРПУ с адаптивным ДД работает следующим образом. Входной сигнал поступает на преселектор (1), который выделяет диапазон частот, содержащий полезный сигнал. Затем в сумматоре (2) к сигналу добавляется напряжение компенсации с выхода ЦАП (7), первоначально равное нулю. Выходной сигнал сумматора (2) усиливается усилителем (3) и оцифровывается АЦП (4). Контроллером (5) производиться оценка отсчета АЦП (4) по амплитуде. Если величина выходного напряжения усилителя (3) приближается к максимальному или минимальному значению, при котором усилитель еще способен работать в линейном режиме, то контроллер (5) формирует соответствующий код на входе ЦАП (7). Цифро-аналоговым преобразователем (7) формируется соответствующее напряжение компенсации. Напряжение компенсации формируется таким образом, чтобы после его суммирования с входным сигналом в сумматоре (2) обеспечивалась работа усилителя (3) в линейном режиме. Следующий отсчет АЦП (4) оценивается по этому же алгоритму. Выходной код АЦП (4) и входной код ЦАП (7) поступают в блок цифровой обработки (6). В блоке цифровой обработки производится суммирование напряжения компенсации (входной код ЦАП) и усиливаемого сигнала (выходной код АЦП), тем самым в цифровой форме осуществляется восстановление входного сигнала. После восстановления формы входного сигнала в блоке цифровой обработки производится последующая обработка: основная селекция, демодуляция, оценка параметров сигнала и т.д.
Сумматор достаточно просто реализовать на базе операционного усилителя. Важной характеристикой при выборе операционного усилителя для сумматора будет не полоса пропускания (bandwidth) усилителя, а скорость нарастания выходного напряжения (slew rate). Скорость нарастания выходного напряжения определяется как максимальная скорость изменения выходного напряжения для всевозможных входных сигналов:
SR = тах( ^(^),
а
где Уои(^) - выходное напряжение как функция времени. Кроме того, скорость нарастания выходного напряжения должна удовлетворять следующему условию:
SR > 2^ -Грк,
где f - частота, Урк - пиковое значение амплитуды сигнала. Таким образом, скорость нарастания выходного напряжения позволяет оценить максимальную частоту входного сигнала, при которой выходной сигнал остается неискаженным [5].
Максимальная частота входного сигнала будет определяться не только максимальной частотой полезного сигнала и помехи, но и характером изменения напряжения смещения - алгоритмом формирования напряжения смещения.
При выборе алгоритма формирования напряжения смещения стоит обратить внимание на изменение амплитуды напряжения смещения во времени. Так, при равномерном изменении напряжения смещения ¥шь с постоянным периодом изменения Тшь возможен вариант, когда при сильной крутизне входного сигнала х(1) напряжение смещения не успевает компенсировать изменение входного сигнала, превышаю)
щего ДД усилителя:
dt
V
>-jsb. Такая ситуа-
ция в схеме дельта-модуляции известна как шум перегрузки по крутизне (рис. 3).
Более сложные алгоритмы формирования напряжения смещения характеризуются большей сложностью технической реализации.
Экспериментальная часть
Для проверки на практике предложенного метода адаптивного увеличения динамического диапазона была проведена серия экспериментов на разработанной экспериментальной установке. Всего было проведено три серии экспериментов. В первой серии оценивалась величина изменения динамического диапазона ЦРПУ в отсутствие сильных, по сравнению с уровнем полезного сигнала, помех. Во второй серии оценивалась величина изменения динамического диапазона для случайной узкополосной помехи, с различным шагом отстройки от частоты несущей полезного сигнала. В третьей серии экспериментов показана неоправданность применения аппаратных схем расширения ДД при приеме сигнала с детерминированной (периодической) помехой, перегружающей ДД ЦРПУ.
Экспериментальная установка Для проведения эксперимента был спроектирован макет ЦРПУ с адаптивным ДД, представленный на рис. 4.
Генератор сигнала, управляемый через ^В-порт ЭВМ, генерирует аддитивную смесь полезного сигнала и помехи, которая поступает на отрицательный вход дифференциального усилителя Б1. Сигнал и помеха могут быть произвольно заданы оператором ЭВМ.
Инвертирующий усилитель Б2 и усилитель Б3 формируют напряжение смещения для усилителя Б1, согласуют цепи управления напряжением смещения. В макете реализовано 3 уровня напряжения смещения: 0 - нет смещения и +/— ифе [6]. Величина смещения оценивается каждый отчет АЦП при частоте дискретизации входного сигнала 178 кГц. Решение о выдаче сигнала вычитания или сигнала сложения ПЛИС принимается, если цифровой сигнал превышает 2/3 максимального выходного значения 14-битного АЦП. Таким образом, время адаптации составляет 1 отсчет входного сигнала.
Коэффициент усиления усилителя Б1 был выбран равным 10, а напряжение смещения ифе=300 мВ. Оценка нелинейных свойств усилителя, основанная на определении области уровней сигнала, в пределах которой усилитель считается линейным, и будет являться динами-
ческим диапазоном усилителя и определять ДД ЦРПУ. Фактически ДД определяет протяженность линейного участка амплитудной характеристики между областями слабого (ивх тіп) и сильного (ивх1) сигналов, в пределах которого нелинейными искажениями можно пренебречь (рис. 5). Вычитание напряжения смещения в области положительных значений входного сигнала и прибавление напряжения смещения в области отрицательных значений входного сигнала позволяет расширить область изменения напряжения входного сигнала на ЪифеЬ при
этом ивх2 ивх1+2ио$^.
Таким образом, расчетное значение увеличения динамического диапазона макета ЦРПУ при условии, что усилитель остается в линейном режиме при ивыхтах < Цшт, где итт - напряжение питания, ивых,тах - максимальное напряжение на выходе усилителя, составляет ивх2/ ивхі=1+2 •• ифе/ивхі=1+0.6/0.5 =2.2 раза.
В качестве тестового сигнала был выбран сигнал с квадратурной модуляцией с 64-точечным сигнальным созвездием ^АМ-64). При этом в модулированном сигнале передавались все символы алфавита из 64 возможных с минимальным скачком фазы между символами. Для пояснения на рис. 6 показано сигнальное созвездие QAM-16-сигнала, показаны переходы, соответствующие минимальному скачку фаз между символами.
+5
Рис. 4. Макет ЦРПУ с адаптивным ДД
Гис. 6. Сигнальное созвездие QAM-16-сигнала
Тестовое
сообщение
Кодирование
fsymb
Фильтр
Найквиста
Модулятор
Канал передачи
Декодирование Фильтр Демодулятор Полосовой
Найквиста фильтр
Верификация
сообщения
Схема расширения ДД
Количество битовых ошибок
Бис. 7. Функциональная схема экспериментального макета Ц?ПУ с адаптивным ДД
К тестовому QAM-64-сигналу, не превышающему ДД усилителя, аддитивно добавлялась помеха - гармонический сигнал или QAM-64-сигнал, несущая которого отстраивалась от несущей частоты полезного сигнала в заданном интервале, амплитуда помехи увеличивалась до уровня ограничения усилителя, при котором искажения, вносимые нелинейной работой усилителя, не позволяли принимать полезный сигнал.
Частота несущей полезного сигнала была выбрана равной f= 3000 Гц. При символьной скорости fm=750^ ширина спектра сигнала равна 1500 Гц.
Согласно теореме Котельникова, мы можем соединить отсчеты, следующие с символьной скоростью Fd, плавной функцией, занимающей полосу частот от нуля до Fd/2. В этом случае квадратурно-манипулированный сигнал будет занимать полосу частот шириной Fd [7], поэтому для сужения спектра сигнала может быть использован цифровой фильтр Найквиста (SQRT-вариант фильтра с косинусоидальным сглаживанием АЧХ (square root raised-cosine filter)). Расчет такого фильтра был выполнен с помощью функции rcosine пакета Communications программы Matlab.
Функциональная схема экспериментального макета ЦРПУ с адаптивным ДД представлена на рис. 7.
Увеличение динамического диапазона в отсутствие помех (эксперимент 1)
В первой серии экспериментов в полезном сигнале помеха отсутствовала. Амплитуда полезного сигнала менялась от 0.02 до 3.02 вольта. Регистрировалось количество ошибок в принятом сообщении без схемы (рис. 8, график А) и со схемой (рис. 8, график Б) расширения ДД.
Видно по критерию безошибочного приема, что схема расширения ДД позволяет увеличить динамический диапазон усилителя по входу на 1.4 вольта, что соответствует увеличению ДД в
Л
2— раза.
Увеличение динамического диапазона при сложной помехе (эксперимент 2)
Во второй серии экспериментов амплитуда полезного сигнала оставалась неизменной (0.62 вольта) и не превышала ДД усилителя. В качестве помехи использовался QAM-64-сигнал, и амплитуда помехи менялась от 0.32 до 2.22
Bit error
Рис. 8. Количество битовых ошибок в зависимости от амплитуды полезного сигнала
Рис. 9. Перекрытие спектров полезного и помехового сигналов
-4 -3 -2 -1
D
а
2 3 4
?ис. 10. QAM-64-созвездия принятого сигнала
вольта с шагом 0.1 вольта, также частота несущей помехи менялась от 1200 Гц до 4800 Гц с шагом 150 Гц. Регистрировалось количество ошибок в принятом сообщении. В таблице 1 приведено количество битовых ошибок при приеме сообщения без схемы расширения ДД. В таблице 2 приведено количество битовых ошибок при приеме сообщения со схемой расширения ДД.
Так как сигнал помехи ^АМ-64) формировался по тому же алгоритму, что и полезный сигнал, частота несущей которого равнялась /с=3000 Гц и символьная скорость была в четыре раза меньше частоты несущей, из рассмотрения исключался диапазон частот несущей помехи с /п1=2333 Гц по УПг=3857 Гц. В этом диапазоне частот происходит перекрытие спектров полезного и помехового сигналов (рис. 9).
Для различных вариантов амплитуды и частоты помехи, с учетом оговоренного условия,
выигрыш ДД по входу, по критерию безошибочного приема, со схемой расширения ДД составил от 0.4 до 1.2 вольта (от 11 до 2 раз).
Для наглядности один из вариантов отстройки частоты несущей и амплитуды помехи показан на рис. 10 - QAM-64-созвездия тестового сигнала после цифровой фильтрации: для
ЦРПУ со схемой адаптивного расширения ДД (рис. 10а) и ЦРПУ без схемы адаптивного расширения ДД (рис. 10б).
Крестиками на рисунках показаны символы, принятые правильно, а ноликами - символы, принятые ошибочно. В первом случае тестовый сигнал был принят ЦРПУ со схемой адаптивного расширения ДД без ошибок в отличие от аналогичного ЦРПУ без схемы адаптивного расширения.
б
Количество принятых битовых ошибок без схемы компенсации
Таблица 2
Количество принятых битовых ошибок со схемой компенсации
Сигнал помехи
Восстановленная помеха
Рис. 11. Полезный сигнал + помеха
1
0.8 0.6 0.4 0.2 о -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1
38 40 42 44 46 48 50 Symbols
Рис. 12. Помеха, воссозданная из части помехового сигнала
А -А П+5 П
«. 1 И Конец передачи сообщения
т “ Т '' 4 "» '* * • і и П П ■ 1 Л 1 1 1 1 1 Symbols
Рис. 13. Полезный сигнал после процедуры вычитания
Увеличение динамического диапазона при периодической помехе (эксперимент 3)
В третьей серии экспериментов амплитуда полезного сигнала оставалась неизменной (0.62 вольта) и не превышала ДД усилителя. В качестве помехи использовался гармонический сигнал, лежащий вне полосы полезного сигнала, амплитуда помехи менялась от 0.02 до 5.8 вольта с шагом 0.1 вольта. Хочется обратить внимание на неоправданность применения аппаратных схем расширения ДД при приеме сигнала с детерминированной (периодической) помехой, перегружающей ДД ЦРПУ.
На рис. 11 показана смесь полезного сигнала и помехи, помеховая составляющая перегружает усилитель. Также отмечен конец передачи сообщения, после которого в сигнале присутствует только помеховая составляющая.
Таким образом, из сигнала, в котором присутствует только помеховая составляющая, можно воссоздать путем многократного копирования помеху Лп (см. рис. 12).
Вычитанием воссозданной помехи Ап из смеси помеха+сигнал An+s удается получить составляющую полезного сигнала А5 (рис. 13).
Далее полезный сигнал успешно демодули-руется и декодируется. На рис. 14 приведена зависимость принятых битовых ошибок от амплитуды помехи.
Эксперименты, проведенные с гармонической помехой, показали, что лучшим способом по сравнению с аппаратной схемой расширения ДД является компенсационный метод, реализуемый в цифровой области: помеха вычитается из смеси помеха+сигнал. Так как помеха - сигнал периодический, ее можно легко восстановить из части сигнала помехи после передачи полезного сигнала.
Для объяснения этого факта отметим, что искажения полезного сигнала в его полосе частот на выходе усилителя при действии на входе мощной помехи, превышающей динамический диапазон входного усилителя, нормальным режимом работы которого является линейный режим, обусловлены следующими нелинейными эффектами [8]:
- амплитудной перекрёстной модуляцией (переносом амплитудной модуляции помехи на сигнал);
Bit error
амплитуда, В
Рис. 14. Зависимость принятых битовых ошибок от амплитуды помехи
— амплитудно-фазовой конверсией (зависимостью фазы выходного сигнала усилителя от амплитуды входного);
— взаимной модуляцией (попаданием интермодуляционных составляющих сигнала и помехи, помехи и шума, нескольких помех и т.д. в полосу полезного сигнала);
— сжатием (уменьшением) амплитуды (нелинейностью амплитудной характеристики усилителя в полосе частот полезного сигнала).
Сравнительный анализ различных критериев определения верхней границы динамического диапазона [9] показывает, что наиболее жесткими из них являются основанные на оценке продуктов взаимной модуляции (интермодуляции) третьего порядка. Рассматривая интермодуляционные составляющие на выходе перегруженного помехой усилителя, образуемые слабым полезным сигналом и единственной мощной помехой, в [10] показали, что наибольшей мощностью обладает комбинационная составляющая 3-го порядка, при этом минимальное отношение мощности сигнала к мощности данной составляющей приблизительно равно 41 дБ. Таким образом, искажения полезного сигнала, обусловленные взаимной модуляцией, в условиях действия единственной мощной узкополосной помехи достаточно малы.
Эксперименты показали, что путем восстановления и вычитания любой периодической помехи с учетом описанных теоретических ограничений можно выделить полезный сигнал из смеси полезный сигнал+помеха, при которой помеховый сигнал значительно перегружает усилитель.
Выводы
Результаты экспериментальных исследований показали возможность восстановления полезного сигнала в условиях действия мощной
периодическои помехи, мощного мешающего сигнала. Расширение динамического диапазона усилителя ЦРПУ может быть эффективно реализовано с помощью компенсации действия помехи смещением усиливаемого сигнала «постоянным» напряжением, которое будет формировать цифро-аналоговый преобразователь. Экспериментально показано, что при использовании схемы компенсации при описанных условиях эксперимента ДД ЦРПУ может быть расширен более чем в 2 раза. При этом время адаптации схемы расширения ДД составляет 1 отсчет входного сигнала ЦРПУ. Показана неоп-равданность применения аппаратных схем расширения ДД при приеме сигнала с детерминированной (периодической) помехой, перегружающей ДД ЦРПУ. Предложенная реализация адаптивного управления динамическим диапазоном усилителя цифрового радиоприемного устройства дает возможность для разработки усовершенствованных, в том числе адаптивных, устройств и алгоритмов выделения полезного сигнала на фоне различных типов мощных помех.
Список литературы
1. Забеньков И.И., Исаакович Н.Н., Жданов С.Л. и др. Проектирование цифровых приемных устройств // Докл. Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники. 2006. №1. С. 44-54.
2. Kester W. Analog Digital Conversion. Analog Devices, Inc., 2004.
3. Побережский Е.С. Цифровые радиоприемные устройства. М.: Наука, 1987.
4. Свидетельство на полезную модель №89311, МПК H04B1/10, H04B1/12. Цифровое радиоприемное устройство / Канаков В.А., Кузнецов П.В.; заявлено 08.07.2009 г.; опубл. 27.11.2009 г.
5. http://www.falco-systems .com/high_voltage_amp-lifiers.html (дата обращения: 19.01.2010).
6. Кузнецов П.В. Реализация адаптивного управления динамическим диапазоном предварительного
усилителя в измерительной системе // Проектирование и технология электронных средств. 2007. №3. С. 49-54.
7. Сергиенко А.Б. Цифровая модуляция. URL: http://matlab.exponenta.ru/communication/book4/index. php (дата обращения: 17.10.2009).
8. Голубев В.Н. Эффективная избирательность радиоприемных устройств. М.: Связь, 1978. 240 с.
9. Голубев В.Н. Оптимизация главного тракта приема радиоприемного устройства. М.: Радио и связь, 1982. 144 с.
10. Ивлев Д.Н. О возможности выделения фазы узкополосного информационного сигнала при действии мощной узкополосной аддитивной помехи, превышающей динамический диапазон приёмника // Сборник докладов IX Нижегородской сессии молодых учёных. 25-30 апреля 2004 года. С. 88-90.
ADAPTIVE INCREASE IN THE DYNAMIC RANGE OF A DIGITAL RECEIVER
P. V. Kuznetsov
Experimental data are presented of our study of the digital receiver amplification stage with an adaptive dynamic range, along with computer and physical simulation results.
Keywords: digital radio receiver, dynamic range, amplification, interference immunity.
