Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2012 №3

Моделирование входных широкополосных трактов устройств с квадратурной обработкой информации

Дятлов Анатолий  
Троц Дмитрий  

В статье рассмотрены модели пошагового и панорамного контроля, которые могут найти применение при эскизном проектировании широкополосных средств радиомониторинга с квадратурной обработкой информации, что необходимо для оценки аппаратурной погрешности при высоком уровне достоверности обработки информации.

При проведении радиомониторинга (РМ) в широком частотном диапазоне все чаще применяют приемники с прямым преобразованием частоты (ПППЧ) [1] и автокорреляционные частотные дискриминаторы [2]. В них используются входные тракты, в которых реализуется квадратурная обработка.

Структуры широкополосных квадратурных трактов (ШКТ) ПППЧ и АЧД приведены на рис. 1, где ГС — генератор сигналов; ЛТП1 и ЛТП2 — линейные тракты приемника; См1 и См2 — смесители; ФНЧ1 и ФНЧ2 — фильтры нижних частот; П1 и П2 — перемножители; Фв — фазовращатель на 90°; ЛЗ — линия задержки; Us(T) и Uc(T) — синусные и косинусные составляющие выходных эффектов; Г — гетеродин; Ф — функциональный преобразователь arctan.

Структуры широкополосных квадратурных трактов

Рис. 1. Структуры широкополосных квадратурных трактов: а) в приемниках с прямым преобразованием частоты; б) в автокорреляционных частотных дискриминаторах

Эффективность ШКТ определяется неидентичностью коэффициентов передачи каналов (К1К2) и наличием фазового рассогласования:

где Δφ(f) — разностная фазочастотная характеристика каналов ШКТ с Фв.

В зависимости от степени несоответствия коэффициентов передачи p = К1/К2 и величины фазового рассогласования δφ(f) квадратурная обработка сопровождается появлением паразитной (зеркальной по спектру) составляющей с относительным уровнем по амплитуде:

где КГ — коэффициент искажений, который определяет точностные характеристики устройств с квадратурной обработкой.

Авторы статьи исследуют модели контроля идентичности каналов входных широкополосных квадратурных трактов ПППЧ и АЧД при использовании программы системотехнического моделирования System View компании Elanix [3].

Исследуемые модели должны обеспечивать контроль ШКТ, к которым предъявляются следующие технические требования:

  • Средняя частота частотного диапазона ШКТ — f0 = 55 МГц.
  • Ширина рабочего частотного диапазона ШКТ — ΔfП = 10 МГц.
  • Длительность одного шага контроля — Ts = 2×10–3 c.
  • Длительность сеанса контроля — Tк = [2×10–3; 22×10–3] с.

При моделировании ШКТ1 ПППЧ, структура которого приведена на рис. 1а, применяется пошаговый контроль с помощью гармонического сигнала, алгоритм которого описывается следующими соотношениями:

где К1, К2 — коэффициент передачи ЛТП1, ЛТП2; τ1, τ2 — групповое время запаздывания ЛТП1, ЛТП2; Δτ — неидентичность ЛТП1 и ЛТП2 по групповому запаздыванию; Ui(t) — напряжение, формируемое ГС на i-м шаге контроля; UГi(t), UГ⊥i(t) — i-е косинусная и синусная составляющие гетеродинного напряжения; Ксм — коэффициент передачи П1, П2 размерностью 1/В; Usi(T), Uci(T) — i-е синусная и косинусная составляющие выходного эффекта; Um — амплитуда напряжения; fн, fв — нижняя и верхняя границы частотного диапазона ШКТ; Δf — величина частотного шага; N — количество шагов контроля; fср — частота среза АЧХ ФНЧ; t0 — момент начала контроля; Ts — длительность шага контроля; KГi — коэффициент искажений ШКТ1 на частоте fsi.

Для построения функциональной схемы модели контроля ШКТ1 ПППЧ в окне System View отбираются следующие функциональные узлы:

  • Генератор гармонического сигнала (ГС) и гетеродин (Г) находятся по адресу: main librares/source/periodic/sinusoid.
  • Разветвитель находится по адресу: main libraries/RFanalog/Split/Combine/Psplit.
  • Перемножитель находится по адресу: main libraries/multiplier.
  • Баттервортовский фильтр нижних частот третьего порядка с частотой среза fср = 105 Гц находится по адресу: main libraries/SystemVue Analog Filter Library/Butterworth/Lowpass.
  • Функциональный преобразователь находится по адресу: main libraries/Function/Functions/ArcTan 4.
  • Индикатор находится по адресу: main libraries/Sink/Analysis/Analysis.

Меню параметров ГС, Г и ФНЧ приведены на рис. 2.

Меню параметров

Рис. 2. Меню параметров: а) генератора гармонических сигналов; б) гетеродина; в) фильтра нижних частот при пошаговом контроле

При пошаговом контроле ШКТ1 при К1 = К2 = 1, Δτ = 10–10 с, δφ(fв) = 2πfΔτ моделирование осуществляется в виде последовательности из N = 11 с шагом Δfш = 1 мГц. Длительность моделирования на каждой частоте равна Tм = Ts = 2×10–3 c.

Функциональная схема модели для контроля ШКТ1 приведена на рис. 3, где 1 — Г1; 2 — Г2; 3 — П1; 4 — П2; 5 — ФНЧ1; 6 — ФНЧ2; 7 — ФП; 8 — И.

Функциональная схема модели широкополосного тракта в приемниках с прямым преобразованием частоты

Рис. 3. Функциональная схема модели широкополосного тракта в приемниках с прямым преобразованием частоты

В этой функциональной схеме ЛЗ заменяем установкой разных значений начальных фаз Г1 и Г2. Для проведения моделирования необходимо открыть окно System Time Specification (рис. 4) и задать следующие параметры:

  • Sample Rate — частота дискретизации fд;
  • Start Time — начало сеанса моделирования tн;
  • Stop Time — конец сеанса моделирования tк.
Меню параметров системного моделирования

Рис. 4. Меню параметров системного моделирования

Частоту дискретизации выбираем из условия fд ≈ 10fs = 500×106 Гц. Длительность сеанса моделирования Tм = tкtн определяем из условия Tм = Ts = 2×10–3 c.

Результаты моделирования на каждом шаге контроля фиксируются индикатором в виде графической зависимости КГ(fs), на этом графике с помощью маркера определяется значение КГ(fs) при t ≤ 2×10–3 c.

В качестве примера на рис. 5, где y = Us(T)/Uc(T) и x = t, приводятся результаты моделирования КГ(fs) при fs = 55 мГц, К1 = К2(р = 1), Δτ = 10–10 с. Поскольку y = 0,017, то коэффициент искажений равен КГ(fs) = –35,39 дБ, что приемлемо для большинства задач с квадратурной обработкой информации.

Результаты моделирования при пошаговом контроле

Рис. 5. Результаты моделирования при пошаговом контроле

Сеанс контроля состоит из 11 шагов, а его длительность составляет Tк = 22×10–3 c.

Результаты сеанса контроля фиксируются на всех шагах, что соответствует просмотру всего рабочего частотного диапазона, затем определяется тренд значений коэффициента искажений.

К недостаткам пошагового метода следует отнести зависимость длительности контроля от количества необходимых шагов. Этот недостаток можно устранить при переходе к панорамному методу контроля ШКТ2, структура которого приведена на рис. 1б.

При проведении панорамного контроля в качестве генератора сигналов используется генератор с линейно-частотно-модулированным (ЛЧМ) напряжением, который обеспечивает просмотр рабочего частотного диапазона ШКТ2.

Для ситуации, когда величина КГ(f) определяется фазовым рассогласованием, алгоритм контроля ШКТ2 описывается следующими соотношениями:

при t0+(i–1)τu ≤ t+iτu; φ = 2πβ; β = Δfдu; i ∈ [1,N]; τu = Ts; f(t) = fнt; Tк = Nτu; Δfд = fвfн; Δφ(f) = 90°+δφ(f); КГ(f) = 20lg[(Us(T,f))/Uc(T,f))] при τ = 0.

Здесь S(t) — ЛЧМ напряжение, формируемое генератором ЛЧМС; Us(T,f), Uc(T,f) — напряжение на выходе ФНЧ1 и ФНЧ2; β — скорость перестройки частоты; f(t) — закон перестройки частоты; fн, fв — границы частотной перестройки Г; Δfд, τu — девиация частоты и длительность импульса ЛЧМ напряжения; КП — коэффициент передачи П1 и П2 размерностью 1/В; Δφ(f) — ФЧХ Фв; Um — амплитуда ЛЧМС; δφ(f) — фазовое рассогласование каналов; T, fср — постоянная времени и частота среза АЧХ ФНЧ; Tк — длительность сеанса контроля; N — количество циклов в сеансе контроля; Ts — длительность одного цикла перестройки частоты.

Для устранения динамических искажений в выходных эффектах частоту среза ФНЧ выбираем из соотношения: fср = 2√β = 104 Гц.

Для построения функциональной схемы модели контроля ШКТ2 в окне System из библиотек пакета System Vue отбираем следующие функциональные узлы:

  • Генератор ЛЧМС (Г). Его адрес: Main Libraries/Source/Periodic/Freq Sweep.
  • Разветвитель (Р). Его адрес: Main Libraries/RF/Analog/Splitters/Psplit-2.
  • Фазовращатель на 90° (Фв). Его адрес: Main Libraries/Linear System/Filter/Fir/Hilbert 90.
  • Квадратор (Кв). Его адрес: Main Libraries/Function/Algebraic/Х2.
  • Фильтр нижних частот (ФНЧ). Его адрес: main libraries/SystemVue Analog Filter Library/Butterworth/Lowpass.
  • Функциональный преобразователь. Его адрес: main libraries/Function/Functions/ArcTan 4.
  • Индикатор (И). Его адрес: main libraries/Sink/Analysis/Analysis.
  • Линия задержки находится по адресу: main libraries/operator/delays/delay.

Меню параметров ГС, ЛЗ и ФНЧ приведены на рис. 6.

Меню параметров

Рис. 6. Меню параметров: а) генератора линейно-частотно-модулированного сигнала; б, в) фильтра нижних частот; г) линии задержки при панорамном контроле

Для всех вышеперечисленных моделей функциональных узлов вводятся параметры в соответствующих окнах с учетом технических требований модели для контроля ШКТ2. Функциональная схема модели для контроля ШКТ2 приведена на рис. 7, где 1 — ГС; 2 — Р1; 3 — Фв; 4 — П1; 5 — ФНЧ1; 6 — Р2; 7 — П2; 8 — ФНЧ2; 9 — ФП; 10 — И.

Функциональная схема модели широкополосного тракта в автокорреляционных частотных дискриминаторах

Рис. 7. Функциональная схема модели широкополосного тракта в автокорреляционных частотных дискриминаторах

Блок Фв представляет собой фазовращатель на 90° параллельно подключенной ЛЗ, величина которой соответствует групповому запаздыванию Фв и равна 10–12 с. Для проведения моделирования необходимо открыть окно System Time Specification (рис. 4) и задать следующие параметры:

  • Sample rate — частота дискретизации;
  • Start time — начало сеанса моделирования tн;
  • Stop time — конец сеанса моделирования tк.

При панорамном контроле ШКТ2 моделирование осуществляется при использовании ГЛЧМС, функционирующего в частотном диапазоне от 50×106 до 60×106 Гц с длительностью цикла перестройки частоты Ts = τu = 2×10–3 Гц и равном времени моделирования Тм.

Величина частоты дискретизации существенно влияет на результаты моделирования АЧХ и ФЧХ Фв, в связи с чем при моделировании fд = 500×106 Гц. При использовании баттервортовского ФНЧ третьего порядка целесообразно выбирать частоту среза fср = 104 Гц.

Результаты моделирования фиксируются индикатором в виде графической зависимости КГ(f) = 20lg[(Us(T,f))/(Uc(T,f))] (при этом fд = 500×106 Гц) и приведены на рис. 8.

Результаты моделирования при панорамном контроле

Рис. 8. Результаты моделирования при панорамном контроле

С учетом вышеизложенного закон перестройки по частоте имеет вид f(t) = (5×107)+(5×109)t при 0 ≤ t ≤ 2×10–3 с. Коэффициент искажений при δφ(f) << 1 рад равен КГ(f) = 20lgδφ(f). Из рис. 8 следует, что минимальное значение y = 0,099 при x = fs = = 5,45×107 Гц, что соответствует коэффициенту искажений КГ2(f) = –20,08 дБ.

Этот вариант модели контроля ШКТ2 обеспечивает существенное снижение времени контроля, которое составляет Ts = 2×10–3 с.

Заключение

Рассмотренные модели пошагового и панорамного контроля могут найти применение при эскизном проектировании широкополосных средств радиомониторинга с квадратурной обработкой информации, что необходимо для оценки аппаратурной погрешности при высоком уровне достоверности обработки информации.

Литература

  1. Дятлов А. П., Емельянов Р. В., Колунтаев Е. Н. Цифровой приемник для радиомониторинга связных сигналов // Специальная техника. 2010. № 2.
  2. Дятлов А. П., Кульбикаян Б. Х. Радиомониторинг излучений спутниковых радионавигационных систем. М.: Радио и связь, 2006.
  3. Загидулин Р. Ш., Карутин С. Н., Стешенко В. Б. SystemView — системотехническое моделирование устройств обработки сигналов. М.: Горячая линия – Телеком, 2005.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке