Розробка схеми приймача цифрової тропосферної станції (стр. 1 из 7)

Розробка схеми приймача цифрової тропосферної станції

1. Схема приймального тракту

В класичному понятті приймальний тракт складається з антенно-фідерного пристрою, самого приймача і приймальної частини каналоутворюючого обладнання.

Каналоутворююче обладнання в даній роботі не розглядається, а основний наголос зроблено на сам приймач і запропоновано нові принципи реалізації антенного пристрою для розробляємого приймача ТРС з цифровою обробкою інформації [12].

Розробляємий приймальний тракт, що зображений на рис. 1, складається з таких основних елементів:

- антенно-фідерний пристрій;

- канальний тракт;

- спеціалізована електронно-обчислювальна машина;

- приймальна частина типової апаратури ущільнення.

Рис. 1. Приймальний тракт цифрової ТРС

Кількість канальних трактів рівна числу елементів ЦАР. На рис. 2 зображена схема канального тракту.

Рис. Схема канального тракту

Всі канальні тракти ідентичні і складаються з:

- малошумлячого підсилювача потужності;

- блока перетворювача частоти та підсилювача проміжної частоти.

Розроблений приймальний тракт містить одну антену, яка складається з n елементів, які рознесені у просторі й приймають широкосмуговий сигнал від антени кореспондента.

Сигнали з n елементів ЦАР поступають по n незалежним канальним трактам підсилюються в МШП і поступають на блок проміжної частоти, де відбувається перенесення сигналів з робочої на проміжну частоту 70 МГц. Після підсилення сигнал поступає на вхід АЦП в якому відбувається перетворення сигналу із аналогового до цифрового виду і після чого сигнали n канальних трактів поступають на вхід спеціалізованої ЕОМ.

АЦП являється дуже важливою частиною приймача. До АЦП висуваються дуже жорсткі вимоги.

Значне розповсюдження широкодіапазонних програмуємих приймачів сигналів вимагає від виробників весь час удосконалювати перетворювачі, а саме покращувати параметри по змінному струму, шумовим і динамічним характеристикам, підвищення розрішуючої можливості, швидкості перетворення аналогового сигналу в цифровий вид із заданою якістю.

Одним із варіантів побудови АЦП є схема паралельного перетворювача, яка приведена на рис. 3.

Рис. 3. Паралельний АЦП

Для кожного можливого вхідного рівня використовується один компаратор і загальний вихідний сигнал отримуємо у вигляді двійкового коду шляхом відповідного декодування. Звичайний аналоговий компаратор доцільно розглядати, як одно розрядний паралельний перетворювач і якщо він являється фіксуючим пристроєм, то отримуємо вже перетворювач з регістром на виході [14].

Такий перетворювач має внутрішню архітектуру конвеєрного типу, завдяки чому цифрову обробку одного відліку можна здійснювати із записом наступного відліку. Таким чином виникає можливість здійснювати перетворення дуже швидко: новий результат з’являється на кожному такті. В такому випадку необхідна велика кількість компараторів (256 для 8-ми розрядного перетворювача), що визначає відносно високу ціну пристрою. Декілька років назад такий перетворювач являвся значною частиною обладнання, але останні досягнення схемотехніки дозволяють виконати необхідні перетворювачі в інтегральному вигляді, що значно зменшує їх масогабаритні показники.

Крім складності побудови, багато розрядні паралельні АЦП мають обмежену точність із-за вхідних напруг зміщення компараторів. Різниця сусідніх напруг може складати лише декілька мілівольт і якщо сумарне зміщення пари сусідніх компараторів перевищує цю величину, логічний стан в неправильній послідовності поступає на логічну схему декодування. Навіть якщо логіка роботи схеми передбачає це, помилка все ж таки неминуча.

Дана проблема вирішується при реалізації перетворювача такого типу у вигляді інтегральної схеми. Останнім часом перетворювачі реалізуються в інтегральній схемі на КПОМ-структурі, в якому вище вказана проблема вирішується шляхом автокомпенсації зміщення нуля кожного компаратора на протязі частини циклу перетворення. В схемі з автокомпенсацією на вхід кожного компаратора підключається конденсатор, з’єднаний з відповідною точкою опорного сигналу, а вихід компаратора з’єднаний з його ж входом. Тому конденсатор заряджається до напруги, рівної сумі напруги точки опорного сигналу і напруги зміщення компаратора. На протязі другої частини циклу конденсатор підключається до точки подачі вхідного сигналу: в той же час кільце зворотнього зв’язку компаратора розривається, різниця напруг в точках подач вхідного і опорного сигналів впливає на компаратор і відповідний сигнал з’являється на виході. Великі комутуємі струми конденсаторів призводять до деякого балансування, а отримання низького вхідного опору зазвичай не являється проблемою в високошвидкісних системах, де застосовуються ці пристрої [12].

Доцільно розглянути варіант побудови АЦП за принципом послідовного наближення. Перетворювачі послідовного наближення реалізуються на основі ЦАП і логічної системи, яка керує ЦАП до моменту узгодження його вихідного сигналу з вхідним аналоговим сигналом АЦП. В даному випадку цифровий вихід ЦАП буде відповідати вимагаємому вихідному цифровому сигналу АЦП. Спрощена блок-схема пристрою зображена на рис. 4. Регістр послідовного наближення представляє собою ту логічну систему, яка реалізує визначений алгоритм.

Рис. 4. Блок-схема перетворювача послідовного наближення

В компараторі відбувається порівняння вхідного сигналу з вихідним сигналом ЦАП, а результат логічної обробки знову поступає на регістр, вихідний цифровий сигнал якого в кінці перетворення буде відповідати вимагаємому значенню.

Часова діаграма роботи перетворювача приведена на рис. 5. Як видно із діаграми, сигналом з регістра послідовного наближення СЗР встановлюється логічна «1», а всі інші розряди – логічний «0». Це значення відповідає половині повної шкали перетворення, і після першого періоду тактового сигналу на регістр послідовного наближення з виходу компаратора приходить сигнал логічного порівняння сигналу на виході ЦАП з вхідним аналоговим сигналом. Якщо вхідний сигнал більше сигналу на виході ЦАП, то в регістрі послідовного наближення стан логічної «1» СЗР зберігаються; якщо менше, то СЗР скидається в «0» і встановлюється в стан логічної «1» другий значущий розряд [13].

Рис. 5. Часова діаграма роботи перетворювача

І така процедура буде повторюватися до тих пір, поки не буде встановлений в стан логічної «1» МЗР і не проаналізований, як і всі попередні розряди. На рис. 6 зображено розвиток процесу послідовного наближення в аналоговому вигляді і те яким чином відбувається отримання правильного результату для конкретного значення аналізуємого сигналу.

Рис. 6. Послідовне наближення

Для кращого розуміння роботи АЦП послідовного наближення доцільно зобразити блок-схему алгоритму процесу послідовного наближення за допомогою «логічного аналізатора» і «осцилографа», що і зображено на рис. 7.

Якщо розглядати програмну реалізацію, то функцію регістра послідовного наближення може виконувати комп’ютер при організації відповідних апаратних зв’язків, що має суттєве значення при практичній реалізації розробленого приймача, а також повинно враховуватися при розробці спеціалізованої ЕОМ і програмного забезпечення для її функціонування. На думку провідних вчених в даній галузі, досить легко створити таку систему, яка б працювала як ЦАП або як АЦП послідовного наближення в залежності від програмного управління [10].

Отже розглянуті вище схеми АЦП мають ряд недоліків і переваг в кожній з них. АЦП паралельного типу має дуже високу швидкодію, що дуже важливо враховуючи те, що процес перетворення сигналу з аналогового в цифровий вид необхідно проводити на частоті 70 МГц, а в перспективі на робочій частоті станції, що досить суттєво зменшить вартість і масо-габаритні показники приймача та підвищить відношення сигнал/шум за рахунок відсутності блоку ПЧ. АЦП паралельного типу має відносно низький рівень точності процесу перетворення, що не можливо не враховувати.

Рис. 7. Спрощений алгоритм послідовного наближення

Проаналізувавши дві схеми АЦП, доцільно висунути ряд вимог до схеми АЦП, яку необхідно розробити для даного приймача, а саме:

- швидкодія процесу перетворення сигналу повинна бути дуже високою, порядку сотні МГц, з перспективою переходу на робочу частоту станції;

- процес перетворення сигналу повинен проходити з максимальною точністю;

- процес перетворення сигналу повинен контролюватися за допомогою спеціалізованої ЕОМ;

- схема АЦП повинна бути реалізована у вигляді мікросхеми, що значно зменшить її масо-габаритні показники;