CC BY
118
УДК 621.391
РЕАЛИЗАЦИЯ ДЕТЕКТОРА СРЕДНИХ ЗНАЧЕНИЙ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВАХ Л.Н. Коротков, А.Б. Токарев
В статье анализируется возможность совмещения в цифровом детекторе телекоммуникационной и измерительной подсистем. Рекомендованы пути адаптации структуры и параметров детектора для обеспечения точности измерений интенсивности помех, соответствующей требованиям нормативных документов
Ключевые слова: телекоммуникационные устройства, измерение индустриальных радиопомех, детектор средних значений
Успешное функционирование систем телекоммуникации возможно лишь при удовлетворительной помеховой обстановке в используемой системой полосе частот. Вместе с тем, на практике нельзя полностью исключать возможность появления в этой полосе нестационарных помех, препятствующих нормальной передаче данных. Полезно иметь возможность анализировать характер подобных помех и замерять их интенсивность, однако для корректности измерений применяемые устройства и методы должны удовлетворять требованиям нормативных документов (НД), и в частности, «ГОСТ Р 51319-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний» и «ГОСТ Р 51318.16.1.1-2007 (СИСПР 161-1:2006) Совместимость технических средств электромагнитная. Требования к аппаратуре для измерения параметров индустриальных радиопомех и помехоустойчивости и методы измерений». Проанализируем возможность оснастить типовое цифровое телекоммуникационное устройство блоком измерения радиопомех с детектором средних значений, удовлетворяющим требованиям НД [1, 2].
Для многих современных цифровых систем телекоммуникации характерно применение для фильтрации обрабатываемых колебаний понижающих цифровых преобразователей частоты. Эти преобразователи осуществляют перенос принимаемого колебания в область нулевых частот и его комплексную фильтрацию, в результате которой на выходе формируется последовательность отсчетов комплексной огибающей принимаемого колебания. Комплексная огибающая является низкочастотным сигналом, поэтому при необходимости дополнительной фильтрации
Коротков Леонид Николаевич - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (473) 246-66-47 Токарев Антон Борисович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: TokarevABfiiircoc.vrn.ru
данных, получаемых от понижающих преобразователей частоты, её осуществляют путем обработки отсчетов комплексной огибающей оконечным цифровым ФНЧ.
В документе [2] определяется, что детектор средних значений используется для измерения среднего значения огибающей сигнала, проходящего через каскады, предшествующие детектору, а показания измерителя помех с детектором средних значений должны увеличиваться пропорционально частоте повторения помеховых импульсов на входе детектора. На практике точность выполнения этих требований будет зависеть как от выбора параметров дискретизации, так и от фильтрующих свойств приемного тракта. Для выявления влияния свойств фильтра проанализируем особенности работы детектора, предполагая, что последовательность отсчетов комплексной огибающей импульсной характеристики радиоприёмного тракта, наблюдаемая на выходе оконечного цифрового ФНЧ в ответ на воздействие на вход приемника радиоимпульса малой длительности, обрабатывается непрерывно во времени.
Представим, что на вход приемника воздействует узкополосный радиосигнал, ширина спектра которого меньше полосы пропускания ФПЧ и оконечного ФНЧ. Запишем этот сигнал в виде
^ае Ш (0 = ^ ЇП • Ке{Ж0• И2^^}, (1)
где S0! д - амплитуда сигнала на входе приемника, А (ґ) - нормированная медленная функция времени, определяющая форму комплексной огибающей сигнала, /0 - центральная частота радиосигнала, совпадающая с частотой настройки приемника, у0 - начальная фаза колебания. Тогда после усиления и фильтрации на вход детектора поступит сигнал с комплексной огибающей
•&ао аао(і) = S0 • A (і) ' в
+ У
(2)
Если обработка сигнала производится на интервале наблюдения от 0 до Тт , то детектор средних значений сформирует отклик
1
Тт О Тт
■-----Г 5... ».(і)| Аі = — • Г ІА(і)|Аі .
гр J | ао аао V /| гр ^
т 0 т 0
(3)
При тестировании характеристик детекторов на вход измерителя помех в соответствии с [1, 2] подают последовательность коротких радиоимпульсов с когерентным заполнением [3, с.2]. Когерентность заполнения воздействующих импульсов обеспечивает когерентность заполнения откликов на них ФПЧ и, как следствие, непосредственное суммирование комплексных огибающих этих откликов. В результате, итоговый комплексный сигнал, поступающий на вход детектора, может быть представлен в виде
о(ґ) = О
І А(і -кТ)
к=0
•Є
+ЗУ
4)
где Т - период повторения импульсов, а А (і)
- комплексная огибающая импульсной характеристики тракта приёма, включая оконечный ФНЧ. Обозначим ттр длину центральной части
комплексной огибающей ( тітр »(20... 100) / Бу ,
где Б у - ширина полосы пропускания ФПЧ на
уровне 6 дБ). Результат интегрирования этой наиболее значимой части комплексной огибающей
ік +Тітр
РиЬвАгва = О0 • Г |А(і)| Аі, (5)
ік
где ік - привязка к оси времени центральной части очередного импульса.
Тогда для любых частот повторения импульсов К =1/Т , удовлетворяющих требованию
К < 1/Ъ.
(6)
к моменту прихода на вход устройства очередного импульса отклик на предшествующий импульс на входе детектора будет успевать затухнуть, продолжительный интервал наблюдений Тт можно разбить на совокупность смежных интервалов длительности Т > Тітр , каждый из которых будет содержать «собственный» фрагмент А (і — кТ ) суммы (4), а отклик детектора будет равен
О Тт
= Т° І |А(і )| Аі =
к •Т,
КТ
= РиіївАгва • К
•І І \А(і)|Аі =
к=1 (к—1)Т
(7)
В результате, для любой пары частот, удовлетворяющих (6), будет справедливо
sаfl5 аао (Кї 1 5аиб аао(Кї2) Ки/ Ки
(8)
что соответствует приведенным выше требованиям НД [1, 2].
Пусть теперь частота воздействия импульсов удовлетворяет условию ^ >> 1/ . При подоб-
ном повторении зондирующих импульсов отклики на них не будут успевать затухать и начнут перекрываться. Пропорциональность (8) в таких условиях можно сохранить лишь при условии, что для каждого момента времени t входящие в (4) слагаемые А ^ - кТ ) будут давать совпадающие по фазе комплексные значения, а эти требования могут быть строго выполнены, лишь, если значения комплексной огибающей импульсной характеристики приёмного тракта при любых t будут сохранять знак. Если же система фильтрации измерителя помех подразумевает использование оконечного ФНЧ, то импульсная характеристика этого ФНЧ для любых t должна оставаться неотрицательной.
Для оценки отклонения характеристик конкретного ФНЧ от сформулированного выше требования введём в рассмотрение показатель, равный для аналоговых фильтров
Хш = 20 •їв
(9)
где g(t) - импульсная характеристика аналогового ФНЧ, а для цифровых фильтров
Хм = 20 •!§ IIg(1)|
I g(і)
(10)
где g(i) - импульсная характеристика цифрового ФНЧ.
При строго неотрицательных импульсных характеристиках имеем % = 0 дБ, а с увеличением площади отрицательных лепестков величина X возрастает. Оценим на основе показателя % применимость в качестве оконечного ФНЧ системы фильтрации для 2 вариантов реализации подобных фильтров.
Проанализируем возможность использования в качестве оконечного ФНЧ аналога идеального фильтра. Приводимые в НД требования к частотной характеристике приемного тракта, предшествующего детектору, не запрещают ис-
s
пользование при фильтрации идеального полосового фильтра с шириной полосы пропускания 120 кГц. Точная реализация подобного фильтра в аппаратуре невозможна, но при достаточных аппаратных ресурсах можно получить фильтр, который по коэффициенту прямоугольности будет близок к идеальному. Однако, для такого фильтра комплексная огибающая импульсной характеристики (или импульсная характеристика оконечного ФНЧ) будет близка к
A(t) = gEöix (t) = sinc(p-Bf -t):
(11)
а функции sinc() имеют знакопеременный характер, что при суммировании (4) повлечет частичную компенсацию слагаемых. Следствием этого оказывается значительная погрешность в реализации амплитудного соотношения с значением показателя Сйо! х » 5,6 аА.
При цифровой обработке данных оказывается возможным использовать для фильтрации цифровые КИХ-фильтры. Применяя для синтеза фильтров широко распространенное программное обеспечение «Intel Signal Processing Library», можно убедиться, что фильтры Найквиста, синтезируемые с использованием окна Хемминга, при малом порядке могут не содержать отрицательных отсчетов импульсной характеристики или доля таких отсчетов невелика. В частности, если импульсную характеристику КИХ-фильтра синтезировать при помощи функции библиотеки
«nspdFirLowpass(Fbound, h, FIRLen, NSPWinHamming, 1); »
используя 10-процентное предыскажение для полосы пропускания ФНЧ
Fbound = 0,45- Bf / FÄ (12)
и выбирая порядок фильтра FIRLen по правилу FIR_Len = Ceil( 1,13/Fbound ), (13)
где Ceil() - функция округления вверх, то синтезированный фильтр не только обеспечит требования к частотной избирательности, но и будет иметь показатель Сёёо » 0 äA.
Ниже приведены результаты проверки амплитудного соотношения при использовании в измерителе помех 2 различных оконечных ФНЧ. Испытания проводились при частоте дискретизации Fä = 2 МГц и требуемой полосе по уровню 6 дБ равной Bf = 120 кГц. Аналогом идеального
ФНЧ служил КИХ-фильтр с длиной импульсной характеристики 512 отсчетов. Параметры КИХ-фильтра, синтезированного в соответствии с (12) и(13), составляли
Fbound = 0,45 -120/250 = 0,027 , FIR _ Len = Ceil ( 1,13/0,216 ) = 42.
(14)
Частотные характеристики фильтров показаны на рис. 1. Из рисунка видно, что КИХ-фильтр высокого порядка, выступающий аналогом ИФНЧ, действительно обладает АЧХ с высоким коэффициентом прямоугольности. Вместе с тем, и КИХ-фильтр, уступающий ему по избирательности, требованиям ГОСТ удовлетворяет.
Рис. 1. Частотные характеристики фильтров (пунктиром отмечены верхняя и нижняя границы, допускаемые ГОСТ)
На рис. 2 приведены импульсные характеристики КИХ-аналога ИФНЧ (начальный фрагмент 300 из 512 отсчетов) и рекомендуемого авторами КИХ-фильтра 42-го порядка. Видно, что импульсная характеристика «идеального» фильтра носит явно знакопеременный характер, а у рекомендуемого фильтра отрицательных значений импульсной характеристики практически не наблюдается.
Наконец, на рис. 3 показана погрешность, сопровождающая использование этих фильтров в качестве оконечных ФНЧ, предшествовавших детектору средних значений. Представленные зависимости характеризуют погрешность соблюдения амплитудного соотношения, определяемую показателем
С( /Ах, F) = 20-lg
Л
>(/¿4. _F
/Ах у
b(F)
дБ, (15)
О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 номера отсчетов
Рис.2. Импульсные характеристики исследуемых фильтров
Погрешность дБ
6
-
.
dndJ IUI ИД Цей IbhUI U ФПЧ
рекомендуемый КИХ-фильтр
/
/ 1
/
/
/
■ ■ ■
0
0 50 100 150 200 250 300 /вч? кГц
Рис. 3. Погрешность соблюдения амплитудного соотношения с(/ах , F) при F = 5 кГц
s
где /_х и ^ - рекомендуемые ГОСТ высокая и низкая частоты воздействия зондирующих импульсов на вход устройства.
Из рис. 3 следует, что КИХ-фильтр низкого порядка действительно гарантирует точное соответствие требованиям амплитудного соотношения в большом диапазоне частот воздействия. При использовании оконечных фильтров со знакопеременной импульсной характеристикой амплитудное соотношение реализуется с погрешностью, особенно значительной, если при низкой частоте ^ перекрытие откликов (определяемое длиной импульсной характеристики фильтра) отсутствует, а при высокой частоте /х - проявляется явно.
Выводы:
1. Использование в устройствах телекоммуникации цифровых детекторов позволяет без изменения схемотехнической реализации расширить возможности подобных устройств в направлении реализации высокоточных измерений уровня шума, действующего в рабочей полосе частот телекоммуникационной системы.
2. Предшествующий детектору средних значений фильтр не должен иметь высокий коэффициент прямоугольности, т.к. это повлечет нарушение амплитудного соотношения.
3. Высокоточного измерения интенсивности помех как с позиции частотной характеристики, так и импульсных свойств (амплитудного соотношения), можно добиться, используя КИХ-фильтр, параметры и порядок которого будут подстраиваться под соотношение используемой частоты дискретизации и необходимой полосы пропускания фильтра в соответствии с (12), (13).
Литература
1. ГОСТ Р 51319-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний. - Москва, Издательство стандартов, 2000.
2. ГОСТ Р 51318.16.1.1-2007. Совместимость технических средств электромагнитная. Требования к аппаратуре для измерения параметров индустриальных радиопомех и помехоустойчивости и методы измерений. Часть 1-1. Аппаратура для измерения параметров индустриальных радиопомех и помехоустойчивости. Приборы для измерения индустриальных радиопомех.
3. Методические указания. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерители радиопомех. Методика поверки. МИ 1764-87.
Воронежский государственный технический университет
IMPLEMENTATION OF AVERAGE DETECTOR FOR RADIO DISTURBANCE MEASUREMENTS IN TELECOMMUNICATION DEVICES L.N. Korotkov, A.B. Tokarev
The article is devoted to the problem of combining of telecommunication and measurement subsystems in the only digital detector. Ways of structure and parameters adaptation are given, that ensure measurement accuracy in accordance with the requirements of normative documents
Key words: telecommunication systems, radio disturbance measurements, methods of measurement, average detector
