CC BY
57
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.376:621.317.7
МЕТОД И УСТРОЙСТВО ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ НЕСУЩИХ ЧАСТОТ
Канд. техн. наук, доц. ИЛЬИНКОВ В. А., БЕЛЕНКЕВИЧ Н. И.
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Дальнейшее развитие информационно-измерительных радиоэлектронных и телекоммуникационных систем характеризуется расширением диапазонов частот, использованием сигналов различных форм и видов модуляции [1-12]. Поэтому весьма актуальной является проблема генерирования измерительных модулированных сигналов специальной и произвольной форм в широком диапазоне несущих частот. При ее решении, учитывая внедрение цифровых технологий, все шире применяют известный метод, основанный на цифровом синтезе модулирующих колебаний и модуляции промежуточной частоты [1-4, 6, 8-11]. Его суть состоит в следующем.
Вычисляются и запоминаются п -разрядные значения цифрового сигнала ио (У), соответствующие отсчетным значениям модулирующего сигнала им (У) на Р периодах Тм его повторения. Запомненные значения циклически считываются с тактовой частотой /7 = К/ (,'Ти __ (Р, У - целые числа), преобразуются в аналоговый сигнал (1,(1) = (/и(1). Модуляцией последним сигналом колебания и1 (У) неизменной промежуточной частоты ^ образуется модулированный (по амплитуде или (и) частоте (фазе)) сигнал иш (У) промежуточной частоты. Балансной амплитудной модуляцией сигналом им (У) опорного колебания ик (У) с перестраиваемой частотой /к формируется сигнал и/7 (У), выделением соответствующих спект-
ральных компонент которого образуется выходной модулированный сигнал ис (У) на несущей частоте /г. = /к — /, (вариант 1) либо /с = = /н +// (вариант 2). Причем на практике формирование сигналов в широком диапазоне /ь — ■ частот /с в основном выполняют по варианту 1, который обеспечивает намного меньший уровень мешающих комбинационных продуктов, позволяет генерировать сигналы на частотах, примыкающих к промежуточной частоте и меньших ее (что характерно для достаточно широкого диапазона с коэффициентом К, 7 = /ц//ь >10 перекрытия по частоте) [4].
Существенный недостаток известного метода - неудовлетворительная для многих применений стабильность несущей частоты модулированных сигналов. Действительно, приняв относительную нестабильность частоты колебаний I!, (7) и I /л (7) одинаковой и равной 5, устанавливаем, что аналогичная несущей частоте (по основному варианту 1), составляет 5С =5^ +/1 —/х : она тем выше, чем ниже значение /с. Количественная оценка применительно к диапазону 1-1000 МГц ( К, 7 = 1 ООО) и /, = 100 МГц показывает, что генерирование сигналов на частотах /с, сравнимых с промежуточной частотой повышает относительную нестабильность в три раза, а на частотах, меньших //, — в десятки (сотни) раз.
Целью проводимых авторами исследований была разработка метода и устройства генериро-
Наука итехника, № 1, 2013
вания стабильных измерительных модулированных сигналов специальной и произвольной форм в широком диапазоне несущих частот.
Разработка метода генерирования измерительных модулированных сигналов. Идея предлагаемого метода генерирования сигналов основана на следующем.
Рассмотрим диапазон 0-fLJ частот/(0 </<
< fu ). Очевидно, что колебание на любой частоте в поддиапазоне 0—0,5fLI можно получить
целочисленным делением соответствующей частоты колебания, генерируемого в поддиапазоне 0,5/и - fu. Учитывая это, введем в рассмотрение колебание Uai (0 вспомогательной промежуточной частоты fM и колебание UG (t) перестраиваемой в поддиапазоне 0,5fu - fu частоты fG. Целочисленным делением частоты последнего образуем опорное колебание UR(t) с частотой fR= fol Z и вспомогательное опорное U (t) с частотой колебания fAR = fa/W. Взаимодействием частот сформируем колебания U (t) промежуточной и несущей Uc (t) частот:
/ -Л, 'Л: (1)
fc =fR ±f = fa/Z±(fG¡W± fM). (2)
Дополнительно потребуем, чтобы при генерировании колебания U (t ) на любой частоте в диапазоне 0 < /с < fLJ значение f промежуточной частоты (выбираемое произвольно) оставалось неизменным.
Понятно, что при формировании колебания Uc (0 в диапазоне 0-fLJ, несмотря на варьирование параметра W, частота fAR (как и частота f ) не является постоянной. Ее изменения должны компенсироваться (при условии f = const ) соответствующими изменениями частоты fAI. В результате последняя принимает значения в некотором поддиапазоне
fdlmm~/л1max Wl > Причем уВеЛИЧе-
ние f сопровождается увеличением значений
fai min ' fai max и fai max Iai mm*
Таким образом, генерирование колебания несущей частоты (2) в диапазоне 0—fv при
Наука
итехника, № 1, 2013_
условии f — const возможно только тогда, если можно сформировать независимо от значения fG колебание Uai (t) с любым в поддиапазоне fА1 mm faimax значением частоты. Последнее достигается (с требуемой точностью) цифровым синтезом колебания Ц,7 (t), используя в качестве тактового колебание, образуемое целочисленным делением в X раз частоты колебания UG (t). Из перечисленного выше видно, что все колебания, участвующие в формировании колебания Uc (t), получаются делением частоты колебания UG (t). Именно это обеспечивает достижение поставленной цели.
На основании изложенного вытекает следующая последовательность операций предлагаемого метода генерирования измерительных модулированных сигналов [13].
Вычисляются и запоминаются n -разрядные значения цифрового сигнала UD (t), соответствующие отсчетным значениям U (t ) модулированного (периодическим сигналом UM (t) с периодом TM повторения и амплитудным спектром Ам (f)) по амплитуде или (и) частоте (фазе) сигнала U (t) вспомогательной промежуточной частоты f'M (далее - частоты с индексом «'» соответствуют фактическим значениям генерируемых частот) на интервале времени TR=PTM = Oj f'M (Р, О -целые числа). Генерируется колебание UG(t) с перестраиваемой частотой f'G. Целочисленным делением в W, Z и X раз частоты колебания UG (t) формируются соответственно вспомогательное опорное U^ (t), опорное UR (t) и тактовое Ur (t) колебания. Запомненные значения сигнала U (t ) циклически считывают-ся тактовыми импульсами UT{t) с частотой f = К/ (7U ^ (Y - целое число) и преобразуются в аналоговый сигнал U4 (I) = U Ш1 (t) (с амплитудным спектром AA1M (f)). Балансной амплитудной модуляцией последним вспомогательного опорного колебания U (t) с частотой формируется сигнал I/ ¡„ (t) с амплитудным спектром Аш (f). Образуется модули-
рованный сигнал им (У) промежуточной частоты выделением спектральных компонент сигнала иА11 (У), расположенных выше либо
ниже частоты /'т. Балансной амплитудной модуляцией сигналом им (У) опорного колебания ик (У) формируется сигнал ип (У) с амплитудным спектром А/7 (/). Образуется выходной модулированный сигнал ис (У) на несущей частоте выделением спектральных ком-
понент сигнала и/7 (У), расположенных выше либо ниже частоты опорного колебания (рис. 1а, б). При этом во всем диапазоне несущих частот соответствующим выбором целочисленных значений параметров Р, У, X, Ж, 2 и Q обеспечивается совпадение с необходимой точностью требуемого /с (2) и фактического
fc = YX I PZTM ±//
(3)
значений несущей частоты, выбранного (1) и фактического
// = YX / PWTM ±0/ РТМ
(4)
значений промежуточной частоты.
Таким образом, предлагаемый метод генерирования измерительных модулированных сигналов отличается от известного введением следующих новых операций [13]: операции деления в Ж, 2, X раз частоты колебания и (У) для образования соответственно вспомогательного опорного иАК (У), опорного ик (У)
и тактового ит (У) колебаний; операции образования сигнала им (У) посредством балансной амплитудной модуляции сигналом иА1М (У) вспомогательного опорного колебания и^ (У).
Разработка устройства генерирования измерительных модулированных сигналов.
Необходимую последовательность операций предлагаемого метода генерирования измерительных модулированных сигналов реализует устройство [13], структурная схема которого содержит (рис. 2) блок цифровой обработки 1, цифро-аналоговый преобразователь 2, задающий (перестраиваемый) генератор 3, блок деления частоты 4, блок промежуточной частоты 5, балансный модулятор 6, полосовые фильтры (ПФ) 71-7.,.
Блок 1 содержит вычислительное устройство (ВУ), блок счета (БС) и запоминающее устройство (ЗУ). ВУ имеет 5-разрядную шину управления и ^-разрядную шину данных. БС построен на основе т-разрядного двоичного счетчика с максимальным коэффициентом счета Кт =2'" и двух /77-разрядных параллельных регистров. ЗУ своими ^-двунаправленными выводами данных, 5-входами управления и т входами адреса подключено к соответствующим выводам шины данных и шины управления ВУ и выходам БС. Оно имеет максимальный размер адресного пространства и максимальный
объем памяти соответственно 2"' адресов и
• и бит, что обеспечивает одновременное хранение отсчетных значений иА1М ) нескольких сигналов.
A{f),K{f) ^Ahkf)
Г'
.. xaiam am)
._ Krif)
ш
PTM=QfAI=YtT
J К J 1
т
Рис. 1. Временное (а) и частотное (б) представления сигналов и АЧХ функциональных звеньев, поясняющие предлагаемый метод генерирования измерительных сигналов
■■ Наука итехника, № 1, 2013
а
Рис. 2. Структурная схема устройства с повышенной стабильностью несущей частоты модулированных сигналов
Предлагаемое устройство имеет два режима работы: режим записи и режим генерирования. В режиме записи ВУ вычисляет У и-разряд-ных значений цифрового сигнала ио (1), соответствующих отсчетиым значениям сигнала на интервале ТК=РТМ =0/ /А1, где Р, Q - целые числа; Тм - период повторения модулирующего сигнала им(1) (рис. 1а). С помощью сигналов управления по шине данных из ВУ передаются и записываются в два параллельных регистра БС граничные значения Мтп
и ~ мп*п + адресов области памяти,
отводимой для хранения цифровых данных сигнала Пв(1). Далее с помощью серии из У тактовых импульсов и других управляющих сигналов в ЗУ записываются У и-разрядных значений сигнала ив (1), при этом числовое значение на т выходах БС последовательно изменяется (через единицу) в пределах от Мтп до Мтп + С -1 Аналогично записываются цифровые данные остальных модулированных сигналов и¿¡м (1), после чего сигналами управления ЗУ переводится в режим считывания, режим записи всего устройства заканчивается [13, 14].
В режиме генерирования с помощью сигналов управления в регистры БС записываются адресные значения м и м выбранного сигнала V^ (1). После этого БС переводится в режим непрерывного (циклического) счета импульсов с выхода блока деления частоты 4.
Генератор 3 вырабатывает колебание ис (1) с перестраиваемой в поддиапазоне 0,5/^-/^ частотой Блок 4, состоящий из трех целочисленных делителей частоты в Ш, X и X раз,
■■ Наука итехника, № 1, 2013
образует соответственно вспомогательное опорное Uи опорное UR{t) колебания, тактовое колебание UT(t) частоты fT=Yl4?TM^ значение которой с запасом выбирается из условия /Т> 2,5-3,0 Fmm (FAIMU - верхняя граничная частота сигнала U^/M (t)).
В режиме непрерывного счета импульсов UT (t) из ЗУ циклически считываются и-раз-рядные значения сигнала UD (t), которые с помощью цифро-аналогового преобразователя 2, содержащего избирательную цепь с АЧХ KAIM (f), преобразуются в аналоговый сигнал UA (t) - модулированный по амплитуде или (и) фазе (частоте) сигнал UA1M (t) вспомогательной промежуточной частоты с амплитудным спектром AAIM (f). Как показано выше, при генерировании сигналов в диапазоне несущих частот значение fAI вспомогательной промежуточной частоты изменяется в некотором поддиапазоне ./.'/ min J'ai max • Соответственно ему выбирается полоса пропускания избирательной цепи блока 2 (рис. 1а, б).
Блок 5 состоит из балансного модулятора и ПФ. В балансном модуляторе сигнал UAM (t) выполняет балансную амплитудную модуляцию колебания Uш{1) (частота f'[R согласно уравнениям (1), (4) и условию /} = const изменяется в определенных пределах). В результате образуется сигнал U AII (t) с амплитудным спектром AAII (f), одна группа спектральных компонент которого расположена выше, другая -ниже (подавленной) частоты ПФ с АЧХ KIM ( f ) выделяет одну из двух групп спектральных компонент (f), тем самым обра-
зуя модулированный сигнал и (У) промежуточной частоты с ее фактическим значением (4). Параметры Р, У, X, Ж и Q выбираются (варьируются) так, что при всех несущих частотах из диапазона ■ значение воспроизводит любое выбранное значение /1 с необходимой точностью. Поэтому в отличие от избирательной цепи блока 2 центральная частота полосы пропускания ПФ блока 5 совпадает с выбранной промежуточной частотой (рис. 1б, 2).
Сигнал и (У ) в модуляторе 6 выполняет балансную амплитудную модуляцию опорного колебания ик (У). В результате образуется сигнал ип (У) с амплитудным спектром А/7 (/). ПФ 7 с АЧХ (/) выделяет одну из двух групп спектральных компонент А/7 (/), образуя выходной измерительный модулированный сигнал ис (У) на фактической несущей частоте
(3). При этом параметры Р, 7, X, 2, IV и О выбираются (варьируются) так, что при всех несущих частотах из диапазона /ь—/и значе~
ние воспроизводит требуемую величину /с с необходимой точностью.
С учетом необходимости подавления (присутствующего реально в сигнале и/7 (У)) остатка колебания на частоте максимальная ширина полосы пропускания ПФ 7 теоретически ограничена значением 2/{, а практически (с учетом реализуемой избирательности фильтра) - значением примерно /¡. Последнее означает, что с помощью одного ПФ можно сформировать модулированный сигнал ис (У) в диапазоне несущих частот шириной /, ■ — /, ~ //, не превышающей значения промежуточной частоты. Если диапазон /ь—/и является более широким, то его в общем случае (как в известном методе [4]) необходимо разбить на 3 отдельных поддиапазонов и в устройство необходимо ввести не один, а 3 ПФ [14]. Формирование сигналов в конкретном к-м поддиапазоне достигается с помощью соответствующего ПФ 7К (рис. 2).
Оценка точностных характеристик метода и устройства генерирования измерительных сигналов. Оценим максимальную абсо-
лютную погрешность воспроизведения требуемого значения f несущей частоты и выбранного значения f промежуточной частоты. Для определенности предположим, что модулирующий сигнал UM (t) имеет период Тм повторения, а несущая частота формируется по варианту (1), (2)
fc~fii+fi ~ /r+ Jar + Iai ~
= fa!Z+ falW + fM . (5)
Тогда для получения требуемого значения fC с учетом выполняемых над сигналами операций частота колебания UG (t) должна иметь значение
/G=Z/c-/7 = Y + AYX/PTM, (6)
а частоты опорного U^ (t), вспомогательного опорного U (t ) колебаний и колебания U (t) вспомогательной промежуточной частоты -значения соответственно fR = f'cJZ = ((7+ AY) х xX)/(PZTM), fm=frr/iv = «+AYyH>i¥rxi: И f_4i =fi -Jar = С/ + :, где X, Y, Z,
P, W, Qi - целые числа, |Д7|<0,5, |A07|<O,5. Их подстановка в выражение (5) дает
/с =
YX Р^м
YX
PWTm
Q_
ртм
+ А О
РТ г 1м
(7)
где £ = А УХ¡2 + АУХ/Ж + А 01 =0о+ АО,
|А(?|<0,5, 0о - целое число. На интервале ТК =РТМ должно укладываться целое количество периодов тактовой (вспомогательной промежуточной) частоты. С учетом этого и соотношений (3) и (4) фактические значения частот колебаний ио (У), ид (У) и иж (У) составляют
гв=их/ РТМ , =нг/ Р1ТМ , гш = УХ/ РШМ , что обеспечивает фактическое значение
fc - /r+ fl - /r+ fdR fAI ~
YX
PZTm
- + -
YX
PW1\,
Q_ ptm
(8)
несущей частоты и максимальную абсолютную погрешность [13]
■■ Наука итехника, № 1, 2013
¥cu=\fc~fcLx=y<lPTM
(9)
воспроизведения ее требуемого значения. Очевидно, что последняя даже в худшем случае (Р = 1) имеет малое значение (например, при /м =1/Тм =1 кГц А/си = 500 Гц) и может быть дополнительно уменьшена посредством увеличения параметра Р.
С учетом выражений (5)-(8) / = /лк + /л1 = = У + АУ X / РЖТМ + О, + АО/ / РТМ ,
п = гш +/м =¥х1 р^тм +0/ ртм и /7-/; =
= АО — АУ Х/2 / РТи . Это соответствует
максимальной абсолютной погрешности воспроизведения промежуточной частоты [13]
Л//Н//-//и= ! + */*/2РТМ =
= 1 + X/Z Д/С(
(10)
которая также мала, хотя и несколько больше, чем А[си.
При оценке максимальной абсолютной погрешности воспроизведения несущей и промежуточной частот предполагалось, что при формировании измерительного модулированного сигнала ис (1) требуемое (задаваемое) /м = 1/Тм и фактическое (реализуемое) значения частоты повторения модулирующего сигнала 1/и (7) равны (/,, = /','_,). Предположим теперь, что последнее условие не соблюдается. С учетом этого представим выражение (6) в виде
/0= 7 + А7Х/м/Р = = ЩМ 1 + А¥/¥/Р = 1Х/;1/Р, (11)
где /м =/м 1 + А7/7 . При таком подходе требуемые и фактические значения частот колебаний ио (1), ид (1) и Vт (1) совпадают
и равны /е=/о, /к=й=Щм1 ■ /ля=/ж = = УХ/'// РЖ , а требуемое /,, и фактическое значения вспомогательной промежуточной частоты составляют = /, — / |Л =
= о,+Щ /Л;/Ри/;=о//Л;/р(|до/|<о,5,
^И Наука
итехника, № 1, 2013_
27 - целое число). Они задают требуемое и фактическое
/с - /я + /ли + /аI ~
Щ'м , Щ'м , о7+до7 л;.
PZ + РЖ
р
/с /я ./ля +
_ Д/д/ , Д/д/ , Qi/M
_ /д/
PZ ' РЖ
+ -
р
(12)
(13)
значения несущей частоты и, как следует из выражений (12) и (13), обеспечивают одинаковую максимальную абсолютную погрешность воспроизведения несущей и промежуточной частот: А/си — 2Р . Реально
и ~ , поэтому в обоих рассмотренных вариантах достигается одинаковая максимальная абсолютная погрешность воспроизведения несущей частоты. С учетом последнего предпочтительно использование варианта/м=/м 1|41-
Отметим важную особенность предлагаемых метода и устройства. При неизменной частоте />' (неизменных параметрах У. X. 7. \\ IV) изменением параметра Q возможно генерирование измерительных модулированных сигналов ис (1) на частотах, расположенных вокруг определяемой (3) частоты образующих
сетку частот с шагом А/ = 1/ РТМ . Часто величина Л/" оказывается намного меньше шага сетки формируемых частот колебания ио (1) с перестраиваемой частотой.
Оценим стабильность несущей частоты генерируемых измерительных сигналов. Примем, что задающий генератор 3 (рис. 2) обладает относительной нестабильностью 5 = А/', //',, а модулированный сигнал формируется по варианту ./;'=/'« +/', и ./;' = ./;' -./;'=./;' -
- /ж -/я • Колебания С/л(0, С/« (0 и £^(0 образуются из колебания ио (1), их частоты согласно уравнениям (3) и (4) равны: /; = £¡2, Гж /;7 =1гО/ XI . Тог-
да /с' = //. \jZ-\JW-Ql ХУ . Учитывая последнее, предположим, что в некоторый мо-
мент времени частота колебаний генератора 3 приняла значение + Д//;. Ему отвечают мгновенное значение несущей частоты +
+ Д£= ,/;;+А/;; уг-ууг-о/ хг и относительная нестабильность последней 8С = = Д/!' //'. = 5. Это означает, что предлагаемый метод, не накладывая ограничений на выбор промежуточной частоты, обеспечивает во всем диапазоне одинаковую относительную нестабильность несущей частоты, равную относительной нестабильности задающего генератора и существенно меньшую, чем в упомянутом выше известном методе.
В Ы В О Д Ы
1. Разработан метод генерирования измерительных модулированных сигналов специальной и произвольной форм в широком диапазоне несущих частот, основанный на цифровом синтезе модулирующих колебаний. Доказано, что во всем диапазоне он обеспечивает одинаковую относительную нестабильность несущей частоты, равную относительной нестабильности задающего генератора, и не накладывает ограничений на выбор промежуточной частоты.
2. Синтезирована структура устройства генерирования измерительных модулированных сигналов с повышенной стабильностью несущей частоты.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Раннев, Г. Г. Методы и средства измерений: учеб. / Г. Г. Раннев, А. П. Тарасенко. - 2-е изд. - М.: Академия, 2004. - 336 с.
2. Волков, Л. Н. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: учеб. пособие / Л. Н. Волков, М. С. Немировский, Ю. С. Шинаков. - М.: Эко-Трендз, 2005. - 392 с.
3. Прокис, Дж. Цифровая связь / Дж. Прокис; пер. с англ.; под ред. Д. Д. Кловского. - М.: Радио и связь, 2000. - 800 с.
4. Проектирование радиопередатчиков: учеб. пособие / под ред. В. В. Шахгильдяна; 4-е изд. - М.: Радио и связь, 2000. - 656 с.
5. Способ генерирования модулированных электрических сигналов в широком диапазоне несушдх частот: пат. 9561 С1 BY, МПК (2006) H 03 L 7/00 / В. А. Ильин-ков, Н. И. Беленкевич, В. Е. Романов.
6. Астанин, Л. Ю. Сложные сверхширокополосные импульсные радиолокационные сигналы и возможности их формирования / Л. Ю. Астанин, А. А. Флерова // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 2003. - Т. 46, № 4. -С. 11-20.
7. Дедюхин, А. Прецизионные генераторы сигналов сложной формы А-КИП ГСС-93/1 и ГСС-93/2 / А. Дедюхин // Компоненты и технологии. - 2004. - № 3. -С. 204-206.
8. Digitaler Signalgenerator: пат. 290527 Германия, МПК5 H 03 С 1/06 / K. Dannowski, H-W Neumann.
9. Кузнецов, Д. В. Цифровой генератор амплитудно-модулированного и частотно-модулированного сигналов с микропроцессорным управлением / Д. В. Кузнецов // Приборы и техника эксперимента. - 2003. - № 2. - С. 160-161.
10. Рябов, И. В. Цифровые синтезаторы частотно-модулированных сигналов / И. В. Рябов // Приборы и техника эксперимента. - 2001. - № 2. - С. 62-69.
11. Алексеев, Ю. И. Способ реализации широкодиапазонных генераторов СВЧ / Ю. И. Алексеев, С. В. Ежов // Приборы и техника эксперимента. - 2002. - № 4. - С. 18-19.
12. Генератор сигнала произвольной формы: заявка 1-40525 Япония, МПК4 H 03 B 28/00 / К. К. Симадзу Сэй-сакусе.
13. Способ генерирования модулированных электрических сигналов в широком диапазоне несуших частот: пат. 9563 С1 BY, МПК (2006) H 03 L 7/00 / В. А. Ильин-ков, Н. И. Беленкевич, В. Е. Романов.
14. Ильинков, В. А. Разработка методов и устройств генерирования модулированных электрических сигналов в широком диапазоне несуших частот / В. А. Ильинков, Н. И. Беленкевич // Совершенствование беспроводных и проводных систем телекоммуникаций и создание для них информационно-измерительных систем: отчет о НИР, шифр темы ГБ 06-2013, № ГР 20066218 / БГУИР. -Минск, 2011. - С. 63-104.
Поступила 02.05.2012
■■ Наука итехника, № 1, 2013
