Сведения о содержании пояснительной записки: 79 стр., 5 рис., 17 табл., библ. 11 ист., 1 прил.

Основные термины: ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ, АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, КОНСТРУКЦИЯ УСТРОЙСТВА, РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА, ЦОС, АЦП, ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА.

Данный дипломный проект посвящён разработке устройства цифровой обработки сигналов, которое предназначено для работы в составе блока цифровой обработки радиосигнала в макете комплекса мониторинга радиоэлектронной обстановки.

АКФ – автокорреляционная функция
АЦП – аналого-цифровой преобразователь
БПФ – быстрое преобразование Фурье
МПП – многослойная печатная плата
ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема
РЭА – радиоэлектронная аппаратура
РЭС – радиоэлектронные системы
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь
ЦОС – цифровая обработка сигналов

Развитие цифровой техники позволило расширить спектр применения устройств цифровой обработки сигналов (ЦОС). При современной технологии изготовления микросхем стали доступны для реализации радиотехнические устройства, работающие с радиосигналами с полосой частот порядка сотен мегагерц. Столь высокая производительность аппаратуры цифровой обработки требуется в таких приложениях как радиолокация, цифровой прием, обработка изображений, спектральный анализ, высокоскоростное кодирование. Второе требование, предъявляемое к современным прибором – это универсальность и гибкость. С целью решения обеих задач было разработано устройство цифровой обработки сигналов, позволяющее выполнять высокоскоростную обработку сигналов в широком диапазоне частот.

Разрабатываемое устройство предназначено для работы в составе устройства цифровой обработки радиосигнала в макете комплекса мониторинга радиоэлектронной обстановки. Непосредственное назначение устройства – оцифровка аналогового сигнала, его предварительная обработка и перенос на более низкую частоту для дальнейшей обработки в других модулях.

При этом становится возможно не только изменить методику предварительной цифровой обработки сигнала, но и принцип его оцифровки. То есть данное устройство можно использовать для оцифровки сигналов следующим образом:

– Параллельная оцифровка двух независимых сигналов с частотой дискретизации до 250 МГц;

– Оцифровка одного аналогового сигнала (подаваемого на оба аналоговых входа) в режиме удвоения частоты дискретизации (основанной на работе параллельных каналов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) по разным фронтам тактового сигнала) – до 500 МГц;

– Оцифровка одного аналогового сигнала в режиме увеличения разрешающей способности (до 16 разрядов) при подаче аналогового сигнала на оба входа АЦП при условии использования внешних аттенюаторов.

Кроме того, значительное количество выходов данного устройства позволяет передавать оцифрованный сигнал на несколько внешних устройств, при этом для каждого внешнего устройства осуществлять предварительную цифровую обработку наиболее подходящим для него способом.

Цифровая обработка сигналов – это одна из наиболее быстро развивающихся отраслей современной электроники. В настоящее время ЦОС находит применение во многих областях, где раньше использовались аналоговые методы, кроме того, появились совершенно новые области применения, где было сложно или невозможно пользоваться аналоговыми устройствами.

Привлекательность ЦОС обусловлена такими основными преимуществами, как:

- Гарантированная точность. Точность определяется числом задействованных бит.

- Высокая воспроизводимость. Можно идентично воспроизвести каждый элемент, поскольку отсутствуют отклонения, обусловленные устойчивостью отдельных составляющих. Например, цифровые записи можно копировать или воспроизводить многократно без ухудшения качества сигнала.

- Отсутствует искажение характеристик из-за температуры или старения.

- Цифровые технологии позволяют повысить надежность, уменьшить размеры, снизить стоимость, понизить энергопотребление и увеличить скорость работы.

- Большая гибкость. Системы ЦОС можно программировать на выполнение различных функций без изменения оборудования. Это одна из самых важных особенностей ЦОС.

- Высокая производительность. ЦОС можно использовать для выполнения функций, которые невозможны при аналоговой обработке сигналов. Например, можно получить линейную фазовую характеристику и реализовать сложные алгоритмы адаптивной фильтрации.

- В некоторых случаях информация уже может быть записана в цифровом виде, и обрабатывать ее можно только методами цифровой обработки.

Дискретный сигнал получается из аналогового операцией дискретизации – взятием отсчетов (измерением) через интервал времени t. В принципе, возможна и цифровая обработка при неравномерной дискретизации по времени, однако эта тема куда менее разработана математически и, по-видимому, представляет не столь большой практический интерес. При этой операции представляется возможной потеря информации, заключенной в значениях сигнала в интервалах между отсчетами. Условия, при которых осуществимо восстановление аналогового сигнала по полученному из него цифровому, то есть сохранение всей исходно содержавшейся в сигнале информации, выражаются теоремой Котельникова. Для этого требуется, чтобы полоса частот входного сигнала была бы не менее чем вдвое уже, чем частота дискретизации, то есть fc=1/2fd.

Если же такие частоты имеются, возникает эффект маскировки (подмены) частот. Наглядным его проявлением может служить иллюзия, часто проявляющаяся в кино – вращающееся колесо вдруг начинает вращаться в противоположную сторону. Здесь частота смены кадров является аналогом частоты дискретизации, и когда колесо совершает между последовательными кадрами более чем пол-оборота, оно кажется вращающимся в другую сторону и с иной скоростью. Для частоты f маскируются под нее частоты (2fc±f), (4fc±f), (6fc±f) и т.д.

На правах рекламы: Здесь можно смотреть порно Christi Shake абсолютно бесплатно!

Борьба с эффектом маскирования частот (антиалиасинг) приводит к необходимости предварительной фильтрации сигнала, исключающей частоты выше половины частоты дискретизации, причем ввиду несовершенства реальных фильтров частоту среза выбирают заведомо более низкую, чем требуемая теоретически, как правило, в три-четыре раза ниже частоты дискретизации. Несовершенство это порождено не неумением инженеров-электриков, а носит фундаментальный характер. Дело в том, что сигнал с ограниченной частотной полосой в принципе не может быть конечной длины, а если он конечен во времени, то содержит бесконечную по ширине полосу частот. Поэтому чересчур высококачественный фильтр будет иметь слишком большое время установления, а “идеальный” - вообще бесконечное.

Преобразование сигнала в цифровую форму производится аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Практически все они используют двоичную систему представления при равномерной шкале, характеризуясь определенным числом разрядов. Увеличение числа разрядов повышает точность измерения и позволяет расширить динамический диапазон измеряемых сигналов. Потерянная из-за недостатка разрядов АЦП информация невосстановима, и не существует простых критериев, подобных теореме Котельникова, показывающих, когда подобное восстановление могло бы иметь место. Существуют лишь оценки погрешности, например, через мощность шума, порожденного ошибкой в последнем разряде, однако не всегда они удовлетворительны. К примеру, слух человека логарифмичен (закон Вебера-Фехнера), и маломощная помеха в диапазоне, где мощность сигнала невысока, слишком хорошо различима. Для того, чтобы оценить влияние помехи, вводится понятие “отношение сигнал-шум” - отношение мощности сигнала к мощности шума. Часто употребляется логарифмическая мера, в децибелах.