Реферат: 3. характеристика объекта проектирования

3. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ПРОЕКТИРОВАНИЯ


При проектировании авиационного радиоэлектронного оборудо-вания (РЭО) используются общие принципы построения радиотех-нических систем с учетом ряда специфических требований. Так к бортовым устройствам предъявляются жесткие требования по масса-габаритным показателям, энергопотреблению и ряду других парамет-ров.

Любое радиоэлектронное устройство содержит важнейшую сос-тавную часть - устройство приема и обработки сигналов (приемник, радиоприемное устройство - РПУ), которое и является объектом кур-сового проектирования.

Радиоприемное устройство подключается к выходу приемной антенны, оно реализует функции селекции (частотной, временной, пространственной, по форме сигнала и т.д.), усиления и демодуляции принимаемого радиосигнала, кроме того, в приемном устройстве обеспечивается обработка принятого сигнала с целью достижения заданного уровня показателей качества функционирования. Нагруз-кой РПУ могут быть различные устройства, например, усилитель низкой частоты и оконечные приборы воспроизведения принятого сообщения, устройство разделения каналов в многоканальных систе-мах радиосвязи, электронно-лучевая трубка и другие.

В рамках курсового проекта разрабатываются узлы приемного устройства, начиная с выхода антенны, т.е. начиная с входной цепи, и кончая выходом демодулятора. В необходимых случаях разрабаты-вается также блок сопряжения аналоговой части РПУ с блоком циф-ровой обработки сигнала.

На рис.3.1. показана типовая структурная схема устройства приема и обработки сигналов.





Рис. 3.1. Структурная схема устройства приёма и обработки сигналов


Схема содержит обычный линейный тракт приемника (ЛТП) супергетеродинного типа (ВЦ - входная цепь, УРЧ - усилитель радио-частоты, СМ - смеситель, УПЧ - усилитель промежуточной частоты), устройство поиска сигнала и синхронизации (УПС), устройство опти-мальной фильтрации (УОФ), включающее в себя согласованный фильтр (СФ) и компенсационный усилитель (КУС), и схему автома-тической регулировки усиления (АРУ).

В линейном тракте приемного устройства осуществляется час-тотная селекция радиосигнала и его усиление до уровня необхо-димого для работы последующих устройств.

Устройство поиска и синхронизации (УПС) устраняет первона-чальную неопределенность частоты сигнала за счет поиска его и фиксации частоты гетеродина приемника устройствами частотной и фазовой синхронизации (ФАП и ЧАП). Устройство временной син-хронизации фиксирует момент появления сигнала.

На схеме рис.3.1, кроме того, показан сигнал управления (СУ), который подается со стороны радиотехнической системы, в состав которой входит данное радиоприемное устройство.

После окончания поиска сигнала и осуществления синхрони-зации производится оптимальная или квазиоптимальная фильтрация сигнала. Данные операции выполняются устройством оптимальной фильтрации (УОФ).

В РПУ могут отсутствовать устройства оптимальной фильтра-ции. В этом случае находят применение обычные (аналоговые) детек-торы: амплитудный, частотный, фазовый.

Линейный тракт приемника выполняется в современных РПУ на основе аналоговой схемотехники, устройства оптимальной фильт-рации могут реализоваться как в аналоговом, так и в цифровом вариантах.

Отметим, что устройство поиска и синхронизации тоже может содержать цифровые и дискретно – аналоговые узлы, например, формирователи дискретной сетки частот, тактовых и синхронизирую-щих импульсов, цифровые ФАП и АПЧ.


^ 4. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ


Курсовое проектирование радиоприемного устройства состоит из трех этапов:

- предварительный расчет (эскизное проектирование) РПУ;

- электрический расчет узлов и блоков разработанного РПУ;

- оформление технической документации.

На первом этапе производится разработка структурной схемы РПУ в целом. Выполняются расчеты, подтверждающие реализу-емость технического задания на проект. Эти расчеты охватывают как аналоговую, так и цифровую части приемника, включая системы автоматического регулирования - АРУ и АПЧ.

Предварительный расчет аналоговой части РПУ сводится к опре-делению ширины полосы пропускания линейного тракта приемного устройства, расчету его коэффициента шума, выбору числа преоб-разований и промежуточных частот, определению числа поддиапа-зонов и их границ, расчету средств обеспечения избирательности, выбору активных приборов и расчету их высокочастотных парамет-ров. Этот расчет заканчивается составлением развернутой функцио-нальной схемы аналоговой части РПУ и детализацией требований к электрическому расчету принципиальной схемы каждого функцио-нального блока и узла.

Предварительный расчет цифровой части РПУ предполагает определение периода дискретизации и шага квантования сигнала, числа разрядов АЦП. Выбирается и обосновывается алгоритм циф-ровой обработки. Этот расчет заканчивается составлением функцио-нальной схемы цифровой части РПУ и детализацией исходных требо-ваний к электрическому расчету основных узлов.

На втором этапе выполняется электрический расчет основных узлов аналоговой и цифровой частей радиоприемного устройства: входной цепи, усилителя радиочастоты, первого смесителя, основ-ного усилителя промежуточной частоты, демодулятора (детектора). Из цифровой части электрическому расчету подлежит один или несколько узлов функциональной схемы в соответствии с заданием.

На третьем этапе выполняется чертеж принципиальной схемы РПУ, оформляется перечень элементов, входящих в разработанное устройство.


^ 5. ТРЕБОВАНИЯ К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ


Курсовой проект представляется на рецензию в виде поясни-тельной записки объемом до 30...35 страниц текста, написанного (или напечатанного) на одной стороне стандартной писчей бумаги формата А4 и графической части, выполненой на чертежном листе формата А1 по ГОСТу 2.301-85 с рамкой и основной подписью по ГОСТу 2.104-85. В рамках данного проекта выполняется один чертеж принципиальной электрической схемы аналоговой части радиопри-емного устройства.

Схема цифровой части устройства приема и обработки сигнала помещается в пояснительной записке. Графическая и текстовая доку-ментация должна выполняться с соблюдением правил ЕСКД. Общие требования к текстовым документам содержит ГОСТ 2.105-79.

Сведения из государственных стандартов обобщены примени-тельно к учебному процессу в стандарте МИИГА СТП 113221-208-85 "Документы текстовые учебные" и СТП 113221-106-85 "Курсовое проектирование".

Радиоэлементы (емкости, резисторы, микросхемы и т.д.) необхо-димо выбирать с учетом действующих стандартов, технических усло-вий и (или) нормалей. Перечень элементов оформляется в виде самос-тоятельного документа (таблицы), помещаемого в приложении к пояснительной записке.

Чертеж принципиальной электрической схемы должен содер-жать все радиоэлементы, которые служат для осуществления в устройстве заданных электрических процессов, все электрические связи между ними, а также электрические элементы (разъемы, кон-такты и т.п.), которыми заканчиваются входные и выходные цепи. Если предусматривается система встроенного контроля, то ее элемен-ты также должны быть отображены на схеме. Схема выполняется с разводкой напряжения и коммутационным разъемом.

Ссылки на литературные источники по тексту пояснительной записки оформляются цифрами в квадратных скобках в возрас-тающем порядке на протяжении всего текста записки. Иллюстрации, схемы, графики должны быть также пронумерованны и снабжены пояснительными подписями в соответствии с трабованиями ЕСКД [26].

Формулы нумеруются (в круглых скобках) только те, на которые имеются ссылки в тексте пояснительной записки.

Примерное содержание пояснительной записки курсового про-екта связного (навигационного, командного) приемника (устройства приема и обработки сигнала):


1. Введение.

Отмечаются особенности проектируемого приемного устрой-ства, указывается область его применения, поясняются требования к техническому уровню подобных приемных устройств.


2. Выбор схемы приемного устройства и расчет его характерис-

тик.

2.1. Выбор вида приемного тракта и устройства обработки

сигналов. Структурная схема приемного устройства.

2.2. Предварительный расчет характеристик аналоговой части

радиоприемного устройства.

Рассчитываются полоса пропускания линейного тракта и коэф-фициент шума приемника. Анализируются требования технического задания (ТЗ) по его избирательности и выбираются средства обеспе-чивающие данные требования. Определяется число поддиапазонов приемника и их границы. Выбирается элементная база и рассчи-тываются параметры активных приборов на рабочих частотах. Выполняется разбиение усиления по каскадам приёмника, оцени-ваются характеристики системы АРУ.

2.3. Электрический расчёт аналоговых узлов РПУ.

В данном разделе выполняется расчёт входной цепи (ВЦ), усилителя радиочастоты (УРЧ), первого смесителя (СМ1), основного усилителя промежуточной частоты (УПЧ), демодулятора (детектора - Д), каскада согласования аналоговой и цифровой частей радиопри-ёмного устройства.

2.4. Расчёт характеристик цифровой части УПОС.

Выбирается алгоритм цифровой обработки сигнала и элементная база для его реализации. Рассчитываются характеристики цифрового вычислителя (процессора), включая цифровой фильтр, АЦП, ЦАП. Описывается работа цифрового устройства.


3. Заключение.

Указываются основные достоинства и преимущества cпроекти-рованного приёмного устройства перед аналогичными и делаются рекомендации по его применению.


Литература.


Приложения: 1. Перечень элементов к принципиальной схеме.

2. Распечатки программ расчёта на ПЭВМ.


Примерное содержание пояснительной записки курсового проекта приёмного устройства РЛС:


1. Введение.

Поясняются особенности проектируемого приёмного устройства, требования к его техническому уровню.

2. Выбор схемы приёмного устройства и расчёт его характерис-

тик.

2.1. Выбор и обоснование структурной схемы приёмника и

устройства обработки сигнала.

2.2. Предварительный расчёт характеристик аналоговой части

радиоприёмного устройства.

Рассчитываются полоса пропускания линейного тракта и коэф-фициент шума приёмника, характеристики высокочастотной головки (преселектора). Уточняется структурная схема радиоприёмного устройства. Выбираются активные приборы и рассчитываются их параметры на рабочих частотах. Определяется необходимое усиление линейного тракта приёмника, выполняется его разбиение по каска-дам. Выбираются схемы АРУ, ВАРУ, АПЧ и т.д.

2.3. Электрический расчёт аналоговых блоков приёмного

устройства.

В данном разделе выполняется расчёт основных блоков приём-ника: ВЧ - тракта (преселектора), малошумящего усилителя (МШУ), балансного диодного смесителя (СМ), усилителя промежуточной частоты (УПЧ), видеодетектора, каскада соласования аналоговых и цифровых блоков приёмника.

2.4. Расчёт характеристик цифровой части УПОС.

Выбирается алгоритм цифровой обработки сигнала, разрабаты-вается электрическая схема для его реализации, выбирается элемен-тная база. Рассчитываются характеристики цифрового специализиро-ванного вычислителя, включая цифровой фильтр, АЦП, ЦАП и т.д. Описывается функциональная и принципиальная схемы цифрового устройства.


3. Заключение.

Указываются достоинства и преимущества спроектированного приёмного устройства, даются рекомендации по его применению.


Литература.


Приложения: 1. Перечень элементов к принципиальной схеме.

2. Распечатки программ расчёта (или моделирова-ния) на ПЭВМ.


Изложение материала в пояснительной записке должно быть кратким и иметь своей задачей обоснование особенностей принима-емого решения. Не следует излагать общеизвестные теоретические сведения.

В начале текста пояснительной записки помещается задание на курсовой проект с указанием номера варианта.

В конце пояснительной записки необходимо привести список литературы, которая была использована при выполнении проекта.

Выполнение списка и ссылки на него в тексте должны соответ-ствовать ГОСТу 2.1-84. Терминология и определения должны быть едиными и соответствовать стандартам, а при их отсутствии – обще-принятым в научно-технической литературе.

Сокращение слов в тексте и подписях к рисункам, как правило, не допускаются.

Условные обозначения физических, математических и других величин, а также условные графические обозначения должны соот-ветствовать стандартам.

Значения символов и числовых коэффициентов, входящих в формулу, должны быть приведены непосредственно под формулой. Значения каждого символа дают с новой строки в той последова-тельности, в какой они приведены в формуле. Первая строка расшиф-ровки должна начинаться со слов "где" (или "здесь").

Расчёт по формулам необходимо производить в следующем порядке: буквенное написание формулы, подстановка числовых значений, результат вычисления с указанием размерности. Размер-ность одного и того же параметра в пояснительной записке должна быть постоянной.

В тексте каждого раздела или подраздела необходимо помещать схемы рассчитываемых блоков, узлов, соответствующие графики и таблицы. Ссылки на графики, таблицы, рисунки, помещаемые в лите-ратуре и используемые для расчётов, недопустимы.

Данный материал должен обязательно быть помещён в поясни-тельной записке.

Величины резисторов и емкостей должны соответствовать числам, приведённым в табл. 5.1, и числам, полученным путём умножения этих чисел на 10n, где n - целое положительное или отрицательное число.


^ 6. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВА


6.1. Алгоритм приёма и операции обработки сигналов


В гражданской авиации РЭО используется для передачи инфор-мации от источника к потребителю (системы радиосвязи) и для извлечения информации о местоположении и параметрах движения воздушных судов (системы радиолокации и радионавигации). Пере-дача информации осуществляется в форме сообщений, которые могут быть дискретными (множество возможных сообщений счётно, ко-нечно) или непрерывными (множество сообщений несчётно, беско-нечно, например, при передаче речевой информации). В системах радиосвязи каждое сообщение преобразуется сначала в первичный сигнал, затем осуществляется модуляция радиосигнала - переносчика сообщений, усиление и излучение радиосигнала. В приёмном устройстве осуществляется усиление и фильтрация радиосигнала, его демодуляция и преобразование выделенного первичного сигнала в сообщение. В радиолокационных системах сообщение о координатах цели формируется в результате взаимодействия излучённого радио-сигнала с внешней средой (отражение от различных объектов, переиз-лучение, запаздывание при приёме). И далее принятый радиосигнал преобразуется в тракте приёма и обработки по аналогии с системами радиосвязи.

Основными задачами обработки сигнала являются: демодуляция радиосигнала, поиск сигнала (по частоте, фазе, амплитуде, виду модуляции), обнаружение (или различение при передаче дискретных сообщений), синхронизация (по частоте, фазе, задержке, тактовой частоте, кодовой последовательности), оценка параметров радиосиг-нала (амплитуды, фазы, частоты, задержки), выделение сообщения (фильтрация параметров радиосигнала).

Вид алгоритма обработки радиосигнала (до демодулятора) или простого сигнала (после демодулятора) зависит прежде всего от решаемой задачи, а также от вида сообщения (дискретное или непре-рывное), вида модуляции и характера излучаемого радиосигнала (импульсный или непрерывный), полноты априорных сведений о статистических характеристиках принимаемого сигнала, помех, других факторов.

При классификации алгоритмов обработки целесообразно выде-лить три группы алгоритмов: алгоритмы обнаружения – распозна-вания, оценки параметров и фильтрации.

Алгоритмы обнаружения - распознавания:

- бинарное обнаружение (приём двоичного числа с пассивной паузой в телеграфной связи, системах передачи данных, обнаружение сигнала в радиолокационных и радионавигационных системах);

- распознавание двух сигналов (приём двоичного сигнала с активной паузой);

- обнаружение и распознавание нескольких сигналов (обнару-жение сигналов с неизвестной частотой или задержкой в радиоло-кации).

Эти алгоритмы реализуются с помощью согласованных фильтров (СФ) или с использованием корреляционных методов обработки сиг-налов [3].

Алгоритмы оценки параметров применяются в основном в радио-локации и радионавигации при измерении координат и параметров движения воздушных судов и других объектов. Предполагается, что оцениваемый параметр не изменяется за время наблюдения. Струк-тура таких алгоритмов во многом сходна со структурой алгоритмов обнаружения - различения. Часто применяются алгоритмы совмест-ного обнаружения - измерения, тоже реализуемые с помощью СФ или многоканальных корреляторов.

Алгоритмы фильтрации решают задачу выделения сигнала (сооб-щения) из смеси с помехами с учётом изменения этого сигнала на интервале наблюдения. Эти алгоритмы являются наиболее сложными для технической реализации. Они применяются при передаче непре-рывных сообщений в системах радиосвязи, а также в радиолокации и радионавигации при слежении за траекторией целей.

Согласно теории оптимального приёма радиосигналов базовой операцией практически любого алгоритма обработки смеси сигнала и помехи является операция вычисления функционала, называемого корреляционным интегралом:

, (6.1)

где s(t) - принимаемый сигнал; - измеряемый параметр (напри-мер, временной сдвиг); Тп - интервал наблюдения; y(t) = S(t -  n(t) - смесь полезного сигнала с истинным значением параметра   и флуктуационной помехи n(t).

Для импульсного периодического радиосигнала

, (6.2)

где S1(t) – импульсный сигнал в пределах одного периода повторения Тп; N – число периодов повторения на интервале наблю-дения (0, Тн); ai– коэффициенты, учитывающие возможную ампли-тудную модуляцию принятого сигнала. В этом случае выражение (6.1) можно записать в виде

. (6.3)

Следовательно, операция вычисления функционала разделяется на две частные операции – вычисление Ri внутри каждого периода повторения (внутрипериодная обработка) и накопления Ri в течении N периодов повторения (межпериодная обработка).

Операция (6.1) аналогична интегралу свёртки и может быть выполнена линейным фильтром с импульсной характеристикой h(t) = S(t0 - t), где t0– запаздывание максимума сигнала на выходе фильтра (t0 ≥ И , И – длительность импульсного сигнала)

. (6.4)

При цифровой (дискретной) обработке производится переход от непрерывного времени к дискретному: t = i·T, dt = T. Тогда выражение (6.4) принимает вид операции дискретной свёртки во временной области

(6.5)

где h[t] = h(iT) – импульсная характеристика цифрового фильтра (ЦФ); n = TН / Т – число периодов дискретизации на интервале наблюдения (0, Тн), Тн=t0+

Таким образом, первый способ реализации базовой операции (6.1) состоит в построении цифрового фильтра с заданной импуль-сной характеристикой, который осуществляет свёртку двух дискрет-ных последовательностей h[i] и x[i].

Свёртку двух дискретных сигналов можно осуществить и другим способом – свёрткой в частотной области, используя прямое и обратное дискретные преобразования Фурье (ДПФ и ОДПФ). Для этой цели обычно применяют специализированные вычислители быстрого преобразования Фурье (БПФ). В рамках курсового проекта можно ограничиться первым способом – применением цифровой фильтрации.

Наиболее общая форма записи алгоритма цифровой фильтрации имеет вид рекуррентной формулы [7].

, L ≤ M , (6.6)

где ai, bi - постоянные коэффициенты, определяемые видом импульсной характеристики ЦФ. Формула (6.6) описывает рекур-сивные ЦФ. Если все коэффициенты bi равны нулю, то получаем нерекурсивный ЦФ, реализующий свёртку (6.5).

Рекурсивный ЦФ характеризуется также дискретной передаточ-ной функцией (в смысле Z-преобразования):

. (6.7)

Методика определения коэффициентов ai, bi в выражениях (6.6) и (6.7) подробно изложена в литературе [7;9-11;17]. При курсовом проектировании значения этих коэффициентов приводятся в задании на проект в качестве исходных данных.

Кроме операции свёртки двух функций времени применяются другие операции, например, интегрирование и дифференцирование функций времени, перемножение двух функций времени, запоми-нание (задержка) процесса, суммирование (накопление) отсчётов, весовое суммирование отсчётов и т.п. Большинство таких операций относится к группе операций линейного преобразования сигналов, которые могут быть реализованы с помощью аналоговой и цифровой схемотехники.

При технической реализации алгоритмов оптимальной и квази-оптимальной обработки сигналов в настоящее время широко приме-няются методы цифровой обработки. Они обепечивают высокую точность вычислений в большом динамическом диапазоне сигналов, высокую надёжность, стабильность выходных параметров.

Непрерывные сигналы описываются непрерывными или кусоч-нонепрерывными функциями Xa(t), причём как сама функция, так и независимая переменная могут принимать любые значения в пределах некоторого интервала. Примером такого сигнала является гармонический сигнал xA(t) = Um Sint , t ≥ 0.

Дискретные сигналы описываются решетчатыми функциями X(nT), т.е. функциями, которые могут принимать любые значения в пределах некоторого интервала, и в то время как независимая пере-менная принимает лишь дискретные значения, например, из ряда равноотстоящих значений t = nT (n = 0,1,2…), где Т – шаг дискре-тизации. Примером такого сигнала является дискретный гармони-ческий сигнал x(nT) = Um SinnT

Цифовые сигналы описываются квантованными решетчатыми функциями, Xц(nT), т.е. решетчатыми функциями, принимающими лишь определённые квантованные значения, например, из ряда уровней квантования (h1, h2,…, hk), в то время как независимая пере-менная принимает дискретные значения из ряда 0, Т, 2Т,…. Каждый уровень квантования обычно кодируется двоичным кодом. При этом цифровой сигнал в дискретный момент времени t = nT представ-ляется m - разрядным двоичным кодом, где m = ]log2K[ (]В[ - наиме-ньшее целое число, не меньшее числа В).

Непрерывный сигнал может быть преобразован в дискретный сигнал с помощью операции дискретизации по времени, осуществ-ляемой на основе ключевых устройств. Математически эта опрация может быть описана как замена непрерывного аргумента t функции xA(t) на дискретный аргумент n = t / T, т.е. xA→ x[n] = xA(nT). По дискретному сигналу x[n] может быть путём того или иного интерпо-ляционного процесса востановлен непрерывный сигнал xA(t). В случае выполнения теоремы отсчётов (теорема В.А. Котельникова), операция восстановления может быть выполнена точно.

Дискретный сигнал, в свою очередь, может быть преобразован в цифровой сигнал с помощью операции квантования по уровню, которая осуществляется специальным устройством - аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Математически эта операция может быть описана как замена непрерывной функции X[n] дискретной (кванто-ванной) функцией Xц[n], значение которой представляется в виде двоичного m - разрядного кода. Цифровой сигнал можно преобра-зовать в дискретный и непрерывный с помошью цифро-аналогового преобразователя.

Обработка сигналов в РЭО может быть аналоговой, дискретной и цифровой, то есть каждому виду сигнала соответствуют опреде-лённые виды устройств обработки. При дискретной обработке преоб-разование дискретного сигнала осуществляется без квантования его по амплитуде. В этом случае возможна реализация комбинирован-ных устройств обработки (дискретно-аналоговые, дискретно-цифро-вые устройства).

Важнейшее свойство непрерывных (дискретных) сигналов заключается в том, что их линейная комбинация также является непрерывным (дискретным) сигналом, то есть если сигналы образуют линейное пространство и для их обработки применяются линейные (дискретные) фильтры.

Цифровые сигналы с определённой разрядностью кода не обра-зуют линейного пространства относительно обычных операций сложения и умножения: линейная комбинация цифровых сигналов с разрядностью кода m может и не быть цифровым сигналом с той же разрядностью кода. Для получения кода комбинации с m разрядами приходится выполнять операцию округления (или усечения), что при-водит к дополнительным потерям информации о сигнале. Следова-тельно, устройство цифровой обработки сигналов, преобразующее сигнал xЦ[n] в сигнал yЦ[n] с помошью обычных арифметических операций сложения и умножения, является, строго говоря, нелиней-ным. Однако нелинейные эффекты в устройствах цифровой обра-ботки часто удаётся учесть путём введения шумов квантования и в дальнейшем применять линейные модели цифровой обработки сигна-лов.

При цифровой обработке радиосигналов объектом временной дискретизации и квантования является сигнал на выходе аналоговой части радиоприемного устройства (см. рис.3.1). Обычно этот сигнал можно считать узкополосным.

К узкополосным процессам относятся сигналы, у которых ширина спектра  много меньше несущей частоты . Ширина спектра может быть определена как полоса частот, в которой сосре-доточена заданная доля энергии сигнала.

Это позволяет использовать для представления такого сигнала метод комплексных огибающих [2,3]. В соответствии с этим методом узкополосный радиосигнал

(6.8)

можно представить в виде

, (6.9)

где - комплексная огибающая радио-сигнала.

Комплексная огибающаяможет быть представлена в декар-товой форме записи

, (6.10)

где Uc(t) и Us(t) - квадратурные составляющие огибающей узко-полосного сигнала, причем

,

(6.11)

.

Квадратурные состовляющие Uc(t) и Us(t) обычно формируются аналоговыми методами с помощью фазовых детекторов (рис.6.1).

Схема включает в себя два фазовых детектора ФД1 и ФД2, фазовращатель на  и когерентный гетеродин КГ.

Ширина спектра процессов Uc(t) и Us(t) получается соизме-римой с шириной спектра сообщения, что позволяет существенно уменьшить частоту дискретизации квадратурных составляющих сиг-нала при последующей цифровой обработке. Соображения по ее выбору приведены в литературе (см., например, [2,3]), однако, исход-ными являются требования выполнения теоремы отсчетов (теоремы В.А.Котельникова).




Рис. 6.1. Схема формирования квадратурных составляющих

узкополосного сигнала


6.2. Цифровая фильтрация узкополосного сигнала

Рассмотрим цифровую фильтрацию узкополосного сигнала (6.8)

с помощью системы с резонансными свойствами. Импульсная харак-теристика такой системы имеет комплексную огибающую и при пере-ходе к дискретному времени записывается в виде

.

Запишем комплексную дискретную свёртку по аналогии с выра-жением (6.5):

.

В декартовой форме ,

где

,

.


Здесь квадратурные составляющие огиба-ющей импульсной характеристики;

квадратурные составляющие огибающей входного сигнала.

Амплитуда Y[n] и фаза [n] выходного сигнала определяются выражениями

, Y[n]>0,

, -≤≤

Структурная схема двухмерного (матричного) ЦФ для фильт-рации узкополосного сигнала приведена на рис.6.2. Двойными стрел-ками на рисунке показана передача сигнала в цифровой форме (в двоичном коде).





Рис. 6.2. Схема двухмерного цифрового фильтра


Непрерывные сигналы UC(t) и US(t) поступают с выхода устрой-ства выделения огибающих квадратурных составляющих (с выходов ФД на рис.6.1) и преобразуются с помощью АЦП в цифровые сигналы UC[n], US[n]. Предполагается, что

, ,

где C, C- несущая частота и ширина спектра входного сигнала; а 0, CP- резонансная частота и ширина полосы пропус-кания эквивалентной узкополосной системы. В случае, когда CPсущественно больше C, можно считать, что (фазочастотная характеристика линейна). При этом влиянием перек-рёстных связей в схеме рис.6.2 можно пренебречь. Следовательно, структура ЦФ упрощается, т.к. остаются только два независимых канала с импульсной характеристикой hC[i]. Этот случай широко применяется на практике при реализации цифровой обработки когерентных сигналов. Алгоритм фильтрации принимает вид

. (6.12)

Алгоритм (6.12) служит доказательством эквивалентности квадратурной обработки сигнала на видеочастоте (после детектиро-вания) и когерентной обработки радиосигнала (до детектора).

В общем случае передаточная функция двухмерного ЦФ имеет вид

,

где

,

,

а Z[…] - Z-преобразование составляющих комплексной импуль-сной характеристики эквивалентной резонансной системы.


В курсовом проекте предусмотрено проектирование цифровых фильтров не выше второго порядка, которые описываются алгорит-мом

(6.13)


и передаточной функцией

, (6.14)

Примеры ЦФ, используемых при цифровой обработке сигналов в РПУ, приведены в табл. 6.1.

Накопители 1 и 2 (рециркуляторы) применяются для накопления импульсных сигналов РЛС при межпериодной обработке [2, 15]. Системы черезпериодного вычитания (ЧПВ) 3 и 4 применяются в системах СДЦ РЛС [2, 15].

Линейный экстраполятор применяется при вторичной обработке сигналов с РЛС и РНС: на основе оценки параметра сигнала (или дальности, скорости и т.п.) при первичной обработке оценивается экстраполированное значение параметра в следующем периоде обра-ботки (следующий обзор, такт и т.д.) [15]. Колебательный контур 6 применяется в цифровых измерителях скорости доплеровского типа [2, 15]. Фильтры низких частот и полосовые фильтры (7–10) приме-няются в демодуляторах различных систем радиосвязи и передачи данных.

В настоящее время применяются два способа реализации алго-ритмов цифровой обработки сигналов – аппаратурный и программ-ный. Аппаратурный способ состоит в построении специализирован-ного процессора, осуществляющего обработку в реальном масштабе времени. Такой способ выбирается тогда, когда требуется обеспечить высокое быстродействие. Программный способ используется в тех случаях, когда требования по производительности позволяют приме-нить серийно выпускаемые микропроцессоры и микроЭВМ. Этот способ обладает большей гибкостью и более прост в реализации.


Таблица 6.1


Примеры цифровых фильтров УПОС



Наименование устройства обработки сигналов

Передаточная функция

K(Z)

Коэффициенты алгоритма

Значения технических параметров

а0

а1

а2

b1

b2

1. Цифровой однокаскадный накопитель



1

0

0



0

0,NN

T = TН

2. Цифровой двухкаскадный накопитель (ЦНД)



1

0

0

-2



T = TН

3. Цифровая однократная система ЧПВ (ЦОЧПВ)



1

-1

0

0

0

T = TН

4. Цифровая двухкратная система ЧПВ (ЦДЧПВ)



1

-2

1

0

0

T = TН

5. Цифровой линейный экстраполятор (ЦЛЭ)



2

-1

0

0

0

T = TОБЗ

6. Цифровой фильтр низких частот (ЦФНЧ1)



1

1

0

0

0




7. Цифровой фильтр низких частот (ЦФНЧ2)



1

0

0

0,NN

0




8. Цифровой полосовой фильтр (ЦПФ1)



1

-2

1

0

0




9. Цифровой полосовой фильтр (ЦПФ2)



1

1

-2

0,NN

0,4375






Здесь NN – две последние цифры номера зачётной книжки студента.


^ 6.3. Типовые устройства цифровой обработки сигналов


6.3.1. Цифровой измеритель дальности

В авиационных РЛС и РНС с импульсным излучением измере-ние дальности осуществляется временным методом, согласно кото-рому дальность определяется по времени запаздывания отражённого (или ретранслированного) сигнала относительно излучаемого сигнала [1, 5]. Алгоритм цифрового измерения дальности заключается в подсчёте числа масштабных импульсов (МИ) с периодом повторения , начиная с момента излучения импульса передатчика и кончая моментом обнаружения отражённого сигнала. Здесь R – разрешающая способность измерителя, С – скорость распространения радиоволны. При этом с помощью МИ осуществляется дискрети-зация интервала измеряемой дальности (Rmin, Rmax) на элементы дальности. В случае обнаружения сигнала в i–м элементе форми-руется оценка по формуле

, ,

где M = (Rmax – Rmin) / R - общее число элементов дальности.

Упрощённая функциональная схема цифрового измерителя дальности приведена на рис.6.3.

Для подсчёта числа МИ используется двоичный счётчик СТ2, в котором записывается двоичный код номера i–го элемента даль-ности. Обычно требуется измерять дальность до нескольких целей. Поэтому подсчёт числа МИ после обнаружения цели в i-м элементе не прекращается, а производится считывание номера этого j–го элемента. Кроме формирователя строб-импульса ФСИ генератор масштабных импульсов ГМИ и СТ2 измеритель содержит регистр памяти, построенный на основе D – триггеров, в который переписы-вается из счётчика код дальности (номер элемента) до обнаруженной цели. Чтобы в момент считывания не происходило сбоев счётчика, применяется блокировочное устройство БУ, исключающее одновре-менное появление импульса считывания и очередного МИ. Число разрядов счётчика и регистра дальности определяется числом элемен-тов дальности: M ≥ 2ncr, ncr = ]log2M[ - число разрядов счётчика.





Рис. 6.3. Функциональная схема цифрового измерителя дальности


Импульсы с ГМИ поступают также на синхронизатор, где после деления частоты повторения F0 = 1 / T0используются в качестве пусковых при формировании излучаемого сигнала. Этим обеспечи-вается синхронность излучаемого импульса и первого масштабного импульса, записываемого в счётчик. Благодаря такой привязке пер-вого МИ устраняется ошибка измерения.

Счёт МИ продолжается непрерывно до величины М, после чего счёт прекращается и счётчик сбрасывается на нуль. Затем счёт начи-нается вновь после излучения очередного импульса. Код дальности из регистра передаётся с помощью дешифратора ДС в ЦВМ для дальнейшей обработки.


^ 6.3.2. Цифровой измеритель радиальной скорости


В авиационных РЛС с импульсным излучением и малой скваж-ностью измерение радиальной скорости цели осуществляется на основе эффекта Доплера [1, 15]. Структурная схема цифрового изме-рителя скорости (ЦИС) приведена на рис.6.4.





Рис. 6.4. Схема цифрового измерителя скорости


Измерение скорости производится для нескольких целей, распо-ложенных в различных элементах дальности. Поэтому ЦИС является многоканальным по дальности (М каналов). Распределение сигналов с выхода АЦП по М каналам дальности осуществляется с помощью распределительного устройства, состоящего, например, из М схем стробирования, управляемых сигналом генератора строб-импульсов ГСИ. Это устройство обеспечивает разрешение по дальности и уменьшение влияния помех за счёт мешающих отражений. С помощью набора цифровых фильтров (ЦФ) в каждом канале даль- ности реализуется корреляционно – фильтровой метод обработки принимаемого сигнала. С выхода ЦФ сигнал поступает на цифровой вычислитель огибающей ЦВО и цифровое пороговое устройство ЦПУ.

Реальная скорость цели оценивается по номеру фильтра, после которого зафиксировано превышение сигналом порога UП. Номер фильтра с помощью дешифратора ДС преобразуется в двоичный код и передаётся далее в ЦВМ для дальнейшей обработки радиолока-ционной информации. Создание набора цифровых фильтров возмож-но двумя способами: путём реализации параллельного соединени