CC BY
142
УДК 621.396.62
ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ШУМОВОГО МОДУЛИРУЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ КВАДРАТУРНЫХ МОДУЛЯТОРОВ, ФОРМИРУЮЩИХ ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ПОМЕХОВЫЕ РАДИОСИГНАЛЫ С УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
С.А. Шерстюков
В статье на основании табличного способа функционального преобразования с предварительной низкочастотной фильтрацией модулирующего сигнала разработаны структурная и принципиальная схемы микропроцессорного синуснокосинусного преобразователя. Проведено экспериментальное исследование принципиальной схемы микропроцессорного преобразователя, в результате которого получены временные и спектральные формы выходных управляющих сигналов
Ключевые слова: микропроцессорный функциональный преобразователь
Как отмечалось в [1], формирование оптимальных форм сигналов вблизи нулевых значений амплитуд на выходах функциональных преобразователей модулирующего сигнала при малой разрядности входных и выходных отсчетов, обеспечивает табличный способ преобразования с предварительной фильтрацией входного сигнала х(п) при помощи низкочастотного фильтра. Такой способ обеспечивает ошибку преобразования, не превосходящую ошибки при таблично-алгоритмическом методе. Вычислительная сложность этого метода преобразования несколько выше, чем у табличноалгоритмического, но значительно ниже, чем у аналитического, и составляет 5 операций сложения/умножения. При этом в процессе формирования помеховых радиосигналов с угловой модуляцией на базе квадратурных модуляторов, необходимо при проведении процедур низкочастотного
Вход :с(п)
преобразования функций cos(M sin Qt) и
sin(M sin Qt) учитывать требуемое количество
членов разложения рядов Тейлора в зависимости от индекса угловой модуляции М [2]. После цифровых преобразований, сформированные управляющие сигналы переводятся в аналоговую форму, устраняются шумы квантования, и с помощью радиочастотных микросхем векторных модуляторов [3] переносятся в область несущего колебания.
С целью технической реализации алгоритмов синусного и косинусного функциональных преобразований по табличному методу с предварительной низкочастотной фильтрацией модулирующего сигнала, разработаны и экспериментально исследованы структурная (рис. 1) и принципиальная электрическая (рис. 2) схемы микропроцессорного устройства.
Рис. 1. Структурная схема микропроцессорного функционального преобразователя модулирующего сигнала
Шерстюков Сергей Анатольевич - ВИ МВД РФ, канд. техн. наук, доцент, E-mail: [email protected]
2-04
2-А0 Е
2-А1 7
2-02 6
2-АЗ 5
2-А4 «
5
2-А6 2
2-А? 1
2-ИЯ 23
22
21
2-ЛЕИ 20
19
1 18
V -»5и0
2-Л0 8
2-АТ 7
2-Я2 6
2-АЗ 5
2-А4 А
2-А5 3
2-А6 2
2-А7 1
2-А8 25
22
21
2-ПЕН 2В.
РІЗ
А* РРОП 0
1 &
1
2
3
4 00
5 01
7 03
8 ск
9 СБ
10 Об
(Р
?Е5Е 1
ЕБЕ2
Е5ЕЗ
А*
в
1
2
3
4
5
6 7 £
9
10
Е5Е1
Е5Е2
ЕБЕЗ
9 2-С* £1
10- 2-01
2-о:
13 2-0;
,3>06_ |2 2-Р?
2-Р2 24
2-Р4 22
2-Р5 21
10 2-ОЧ
11 2-01Є
13 2-011
14 2-013
15 2-ої:
16 2-01-
17 2-01 .
001 002 ОвЗ
004
005
006 007
оее
009
010 011 012 013 01-4 015
ЛОТР
РБ
ІКТ
ВІО
Х1
гогтя
СРУ
ис
ОЕН
ГЕН
Рв/РРв
Л1/«М
Н2/РК2
Р&
Р»4
Об
Пб
ЙР
А8
А9
010
А11
,32 2-оєи
і35 2-ПЕМ
2 2-А0
1 2-А1 2 1Л 10
40 2-А2
39 2-АЗ 2~'М її
38 2-А-1 2-01 17
37 2-А5 2~ 112 16
36 ^ 206 2-03 15
35 2Я7 2-04 14
34 2-Н2 2-ОЪ 15
29 2-ОЬ 12
28 2-СР 11
27 г С24
3
I \ 4
йНОА \
10 ► бНОО +3. 9и
-Й-
г
ЙЕГ
ОАС
Ри<1с^
06Н0:
ї|—1 : Л—•—
• ♦ЗХ ■ емх
• +51* ■ СГі>
Т|ргГ"
->т
Рис. 2. Фрагмент принципиальной электрической схемы микропроцессорного функционального преобразователя модулирующего сигнала
Структурная схема (рис. 1) выполнена в виде двух однотипных каналов, вычисляющие соответственно функции у(п)=і'іп(х{п)) и у(п)=СОІ'{х{п)). В каждом канале имеется цифровой процессор обработки сигналов (ЦПОС) ТМ8320С10, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) КР556РТ7А емкостью 2кх16, 8-ми разрядный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) ТЬС5602СМ и выходной буфер. Входные выборки в каналы обработки поступают через шинные формирователи (ШФ) от аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
Принцип работы схемы. При подаче питания на данное устройство начинает отрабатываться сигнал сброса процессоров. Схема сброса собрана на триггере Шмита, в которой длительность импульса сброса составляет около 2,4 мс. Для ЦПОС достаточно, чтобы импульс сброса находился в ак-
тивном состоянии в течение пяти циклов (один цикл 200 нс).
Процессоры работают от одного тактового генератора, собранного на инверторах и кварцевом резонаторе. Генератор работает на частоте 20 МГц. Сигнал с выхода тактового генератора поступает на вход СЬКШ процессоров (рис. 2). Внутри процессора эта частота делится на четыре и выдается на вывод СЬКОиТ. Все команды в процессоре выполняются по положительному фронту сигнала СЬКОиТ. В качестве АЦП использована микросхема ЛБ9280, представляющая собой быстродействующий 8-ми разрядный АЦП. Микросхема ЛЭ9280 имеет внутренний источник опорного напряжения и сконфигурирована на работу с входным сигналом, изменяющимся от 0 В до 2 В. Типовая схема включения АЭ9280 приведена на рис. 3.
Рис. 3. Типовая схема включения АЦП ЛБ9280
Для адаптации входного сигнала к такому виду (от 0 В до 2 В), в принципиальную схему введен дополнительный входной буфер, выполненный на операционном усилителе КР140УД608 (на рис. 2 не показан). Входной буфер выдает сигнал относительно УЯЕР/2. АЦП работает с частотой преобразования 5 МГц (СЬКОиТ), то есть, данные на выходе АЦП меняются через каждые 200 нс синхронно с началом каждого цикла работы процессоров. Следовательно, каждый процессор может считывать данные из АЦП в любом цикле своей работы.
После выполнения преобразований процессор записывает данные в ЦАП, который имеет внутренний регистр хранения данных. По фронту сигнала на выводе СЬК происходит запись данных в ЦАП. Работа процессоров осуществляется по программе, хранящейся в ПЗУ КР556РТ7А. Данная микросхема ПЗУ отличается своим высоким быстродействием (время выборки адреса не более 140
нс) и приемлемой емкостью (2048 байт). Изменение положения выключателя 81 приводит к изменению выходного диапазона (табл. 1).
Выключатель 81 определяет, с какой областью ПЗУ работает процессор. Выключатели 81.3 и 81.4 подсоединены непосредственно к старшим адресным линиям ПЗУ, то есть, ПЗУ разделено на четыре независимых блока по 512 байт. Выключатели 81.1 и 81.2 к адресной шине ПЗУ подключены только тогда, когда процессор обращается к младшим 256-ти байтам. Такое подключение обеспечивает мультиплексор (на рис. 2 не показан). Получается, что младшие 256 байт каждого из четырех блоков по 512 байт также разделены на четыре части, а в старших байтах находятся таблицы синуса или косинуса. Следовательно, реализуется 16 блоков по 64 байта и четыре блока по 256 байт (табл.2).
Таблица 1.
Положения выключателей, определяющих изменение выходного диапазона
Положение выключателей *
81.1 81.2 81.3 81.4
Без преобразования - - - -
п + - - -
2п - + - -
3п + + - -
4п - - + -
5п + - + -
6п - + + -
7п + + + -
8п - - - +
9п + - - +
10п - + - +
Примечание:
«+» - выключатель находится во включенном положении; «-» - выключатель находится в выключенном положении.
В каждой из 16-ти частей находятся разные программы, и в зависимости от положения выключателя 81, процессор выполняет действия по одной из этих программ. Разбиение ПЗУ предложенным способом выполнено для уменьшения времени выполнения основного цикла программы, так как из него (цикла) исключаются действия связанные с опросом положения выключателя 81.
Например, выключатель находится в положении 81.1 -, 81.2 +, 81.3 +, 81.4 —, тогда после сброса процессора на его адресной шине выставится адрес 0000Н, а на адресной шине ПЗУ будет адрес 0280Н (на рисунке эта область указана цифрой 6). Питание устройства осуществляется от двухполярного источника постоянного тока 5 В. Аналоговое питание и цифровое питание на плате разделены для
уменьшения влияния помех цифровой части на аналоговую. Для микросхем АЦП и ЦАП обеспечена одновременная подача аналогового и цифрового питания.
На рис. 4 представлена функциональная схема экспериментальной установки для исследования электрической принципиальной схемы микропроцессорного синусно-косинусного преобразователя модулирующего сигнала. При исследовании выбраны следующие параметры: частота входного модулирующего сигнала / = 1 кГц; разрядность входного сигнала п = 8; положения выключателя 81: 81.1 -, 81.2 +, 81.3 -, 81.4 +; индекс модуляции ш^Мп; частота дискретизации /д = 5 МГц; температура 250С.
Таблица 2.
Карта разбиения ПЗУ
700H
600H
500H
400H
300H
200H
100H
000H
Примечание: цифрами указано положение переключателя Б1.
Источник
постоянного
тока
НР6626А
Рис. 4. Функциональная схема экспериментальной установки для исследования электрической принципиальной схемы микропроцессорного синусно-косинусного преобразователя модулирующего сигнала в режиме формирования индекса
фазовой модуляции тр < 10п
Осциллограф Agilent D3000
Таблица синуса (косинуса)
15
14
13
12
Таблица синуса (косинуса)
11
10
_9_
S
Таблица синуса (косинуса)
7
6
5
4
Таблица синуса (косинуса)
2
2
1
0
На рис. 5 а, б показаны экспериментальные временные формы сигналов на выходах микропроцессорных синусного и косинусного преобразова-
телей соответственно, а на рис. 6 а, б - спектрограммы выходных колебаний синусного и косинусного преобразователей соответственно.
а) б)
Рис. 5. Экспериментальные временные формы сигналов на выходах микропроцессорных синусного (а) и косинусного (б) преобразователей в режиме формирования индекса фазовой модуляции т9 < 10п
1 Д И 11
1 3 5 7 9
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
Частота, кГц
а)
33 35 37 39
I
| 1
1 . , ^ - А 1 . .
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
Частота, кГц
б)
Рис. 6. Спектрограммы выходных колебаний микропроцессорных синусного (а) и косинусного (б) преобразователей в режиме формирования индекса фазовой модуляции ш^ < 10п
Из анализа рисунка следует, что формы выходных сигналов микропроцессорных синусного и косинусного преобразователей совпадают с теоретическими [1]. Спектральные составляющие для синусного преобразователя находятся на нечётных частотах от 1 кГц до 39 кГц, а для косинусного преобразователя - на чётных частотах от 2 кГц до 40 кГц. Количество спектральных составляющих как для СП, так и для КП составляет N = 20, а их амплитуды с точностью до 1% совпадают с теоретическими, при этом в выходных спектрах не наблюдаются паразитные комбинационные составляющие. В то же время, формы выходных сигналов имеют сглаженный вид с не явно выраженным
«ступенчатым» характером, что объясняется проявлением шумов квантования в результате работы цифровых устройств обработки. Результаты, полученные в ходе экспериментального исследования, могут быть улучшены, если: 1) повысить разрядность входного сигнала за счёт использования более производительных кодеков (АЦП - ЦАП); 2) увеличить порядок реализации цифровых фильтров нижних частот и скорость обработки сигналов за счёт использования современных микропроцессоров обработки сигналов или программируемых логических интегральных схем; 3) повысить качество всех соединений и пайки.
Таким образом, полученные экспериментальные результаты и проведенное исследование позволяют сделать вывод о том, что использование микропроцессорных синусно-косинусных преобразователей модулирующего сигнала значительно расширяют функциональные возможности квадратурных фазовых модуляторов с точки зрения формирования широкополосных шумовых сигналов с угловой модуляцией и одновременной компенсацией амплитудно-фазовых искажений.
Литература
1. Шерстюков С. А. Функциональные преобразователи модулирующего сигнала с использованием ПЛИС
для квадратурного фазового модулятора // Теория и техника радиосвязи: науч.-техн. сб. / ОАО «Концерн «Созвездие». - Воронеж, 2009. - Вып. 1. - С. 72 - 76.
2. Шерстюков С.А. Анализ синусно-косинусного формирования управляющих сигналов для квадратурных частотных модуляторов в зависимости от индекса модуляции // «Вестник»: сб. науч. трудов / Воронежская высшая школа МВД России. - Воронеж, 1997. - Вып. 7 - С. 134 - 140.
3. Шерстюков С.А. Экспериментальное исследование квадратурного фазового модулятора на базе радиочастотной интегральной микросхемы векторного модулятора // Теория и техника радиосвязи: науч.-техн. сб. / ОАО «Концерн «Созвездие». - Воронеж, 2009. - Вып. 1. - С. 67 - 71.
Воронежский институт Министерства внутренних дел Российской Федерации
TECHNICAL REALIZATION AND EXPERIMENTAL RESEARCH MICROPROCESSOR FUNCTIONAL
CONVERTERS NOISE MODULATING VOLTAGE FOR QUADRATURE MODULATORS, FORMING BROADBAND NOISE RADIO SIGNALS WITH ANGULAR MODULATION
S.A. Sherstukov
In article on the basis of a tabulared way of functional transformation with a preliminary low-frequency filtration of a modulating signal structural and basic circuits of the microprocessor sine-cosine converter are developed. The experimental research of the basic circuit of the microprocessor converter as a result of which time and spectral forms of target managing signals are received is lead
Key words: the microprocessor functional converter
