УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ДИАПАЗОНА ВХОДНЫХ СИГНАЛОВ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ДИАПАЗОНОМ ЦИФРОВОГО ПРИЕМНИКА Российский патент 2000 года по МПК H03M1/18 

Настоящее изобретение относится к радиочастотным приемникам, в частности к цифровым радиочастотным приемникам, снабженным автоматической регулировкой усиления, но не ограниченным по этому признаку.

Предпосылки к созданию изобретения
Автоматическая Регулировка Усиления обычно используется по двум причинам: 1) для предотвращения насыщения одного или более каскадов приемника, которое вызывается большими входными сигналами, превышающими динамический диапазон какого-либо каскада; и 2) для поддержания среднего выходного уровня некоторых видов акустических средств (например, громкоговорителей) почти постоянным в присутствии сигнала, уровень мощности которого меняется. Методы достижения этих целей хорошо известны как для аналоговых, так и для цифровых схем радиочастотных (РЧ) приемников. Однако при использовании этих методов значительно снижается шум-фактор приемника, что приводит к ухудшению чувствительности и/или значительному уменьшению динамического диапазона приемника, т.к. Автоматическая Регулировка Усиления (АРУ) снижает линейность регулируемого каскада.

Хорошо известны также многие преимущества цифровой обработки сигналов в радиочастотных приемниках, а также известно, что главные ограничения при такой обработке сигналов в приемниках подобного типа накладываются динамическим диапазоном аналого-цифрового преобразования (АЦЦ) и/или его высоким уровнем шума. Одним из важных преимуществ цифровой обработки сигналов является возможность применения удобных управляемых фильтров, характеристики которых достаточно просто могут быть изменены в соответствии с различными типами систем связи. Если РЧ приемник работает в составе различных по своим параметрам системах связи, то любое селективное средство, стоящее перед АЦП, должно иметь достаточно широкую полосу пропускания с тем, чтобы принимать наиболее широкополосные сигналы из числа рабочих сигналов системы. Отсюда также следует, что РЧ приемная система, в частности такая ее составная часть, как АЦП, должна обладать динамическим диапазоном, достаточным для того, чтобы приемник мог уверенно принимать несколько сигналов одновременно (например, рабочий сигнал и сигнал соседнего канала). В настоящее время неизвестны АЦП с динамическим диапазоном, достаточным для удовлетворения потребностей наземных мобильных систем связи без использования некоторых видов АРУ. В идеальном случае применяемая АРУ должна в минимальной степени влиять на шум-фактор и динамический диапазон системы.

Конкретным типом АЦП, пригодным к обработке сигналов в узкополосной радиосистеме связи, является "сигма-дельта" преобразователь, приспособленный для регулирования коэффициента передачи. Известные средства АРУ представляют собой цифровые схемы АРУ "вперед", стоящие после АЦП, имеющего достаточный для удовлетворения потребностей системы динамический диапазон.

Применение различных методов АРУ в цифровых приемниках, а также управление усилением входных каскадов, хорошо известны в данной области техники. Управление входными каскадами устраняет проблему недостаточности динамического диапазона АЦП. Тем не менее известные методу уменьшения усиления аналоговых сигналов ухудшают линейность характеристик входных каскадов аналоговых цепей. Так, динамический диапазон может сузиться вследствие интермодуляции в присутствии множества сигналов. Существуют различные методы АРУ, которые используются как в аналоговых, так и в цифровых приемниках, однако их применение приводит либо к ограничению усиления входных каскадов, либо к требованию необходимости работы АЦП во всем динамическом диапазоне, что, в свою очередь, вызывает потенциальную возможность сужения динамического диапазона вследствие ухудшения линейности характеристик входных каскадов приемника.

В связи с изложенными соображениями возникает необходимость в АРУ или аналогичном методе регулировки в цифровом устройстве, которое должно иметь удовлетворительный коэффициент шума (шум-фактор), высокую чувствительность приемника, ограниченный вклад АРУ в уровень шума и незначительное сужение динамического диапазона.

Краткое описание чертежей.

Фиг. 1 - приемник с устройством регулировки рабочего (действующего) диапазона АЦП в соответствии с настоящим изобретением (ORAD).

Фиг. 2 - детектор уровня согласно настоящему изобретению.

Фиг. 3 - регулятор диапазона согласно настоящему изобретению.

Описание предпочтительного варианта реализации изобретения.

Ниже приводится описание способа и устройства Регулирования Действующего Диапазона (ORAD) для цифрового приемника, которые в минимальной степени отрицательно влияют на такие показатели, как шум-фактор и линейность характеристик входных каскадов приемника. Система ORAD управляется главным образом в цифровой форме и имеет следующие характеристики: выраженные в цифровой форме быстрое нарастание, медленный спад (затухание), регулируемая эталонная величина (значение), цифровое управление регулировкой рабочего диапазона и способность обеспечить работу в наземных мобильных условиях, когда сигналы имеют рэлеевские характеристики затухания.

Амплитуды сигналов должны быть ниже уровня ограничения АЦП, т.к. в противном случае возникают весьма значительные искажения сигналов, особенно при одновременном присутствии множества сигналов (например, полезного рабочего сигнала и сигнала соседнего канала). Режим ограничения АЦП предотвращается путем управления уровнем ограничения с помощью контура автоматического регулирования системы ORAD. Если ограничение в АЦП поддерживается на каком-то фиксированном уровне, превышающем определенное достижимое значение сигнала, например его среднее значение, то на выходе АЦП это значение поддерживается постоянным относительно уровня ограничения. Динамический диапазон АЦП поддерживается постоянным путем изменения уровня ограничения, поскольку уровень шумов квантования (преобразования сигналов из аналоговой в цифровую форму) возрастает с увеличением уровня ограничения. Если усиление входных каскадов приемника зафиксировано, то данный метод не приводит к ухудшению линейности характеристик приемника.

На фиг. 1 представлена блок-схема приемника с устройством регулирования рабочего диапазона CRAD. Радиочастотный сигнал принимается антенной 101, подвергается преобразованию частоты и другой необходимой обработке в блоке 103 входных каскадов для формирования входного сигнала для средств последующей обработки. Далее аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму в АЦП 105, который имеет вход для регулировки диапазона. АЦП 105, может быть выполнен в виде преобразователя типа "сигма-дельта", описанного в патенте США N 4857928 автор Пол X. Гейлус, имеющего название "Способ преобразования и преобразователь типа "Сигма-Дельта" для полосовых сигналов"; это техническое решение принято в данном случае за прототип. Если использовать этот патент в качестве примера, то вход регулирования диапазона АЦП (фиг.1) должен был бы заменить блок под позицией 230. В качестве АЦП 105 может быть использован и преобразователь другого типа, например известный в данной области быстродействующий АЦП, хотя специалистам в этой области вполне понятно, что это может быть АЦП любого типа, с регулируемым уровнем ограничения. АЦП 105 работает во всем рабочем (действующем) диапазоне, который уменьшается или увеличивается в зависимости от воздействия сигнала регулирования диапазона, подаваемого на соответствующий вход АЦП 105. Входной уровень ограничения АЦП 105 выражается через величину аналогового сигнала, который присутствует на аналоговом входе АЦП и которому соответствует максимальный выходной цифровой сигнал. Уровень ограничения АЦП является его обязательной и естественной характеристикой. При воздействии на входе аналогового сигнала, превышающего уровень входного ограничения, на выходе образуется максимальный цифровой сигнал, сопровождающийся искажениями. Рабочим (действующим) диапазоном АЦП называют диапазон величин сигналов между входным уровнем ограничения (верхний предел) и уровнем шумов квантования (нижний предел). Эти шумы квантования образуются в АЦП благодаря самой его природе. Квантованный сигнал с выхода АЦП подвергается дальнейшей обработке в цифровой форме, включая демодуляцию, обработку речевых сигналов, шифрацию и т.д.

Квантованный сигнал подается на детектор уровня 107 для определения уровня аналогового сигнала по входу, что иллюстрируется фиг. 2 и поясняется связанным с ней текстом описания. Этот входной уровень служит входным сигналом для обычного компаратора 109, который сравнивает входной уровень аналогового сигнала с эталонным сигналом, поступающим от ЗУ 113 эталонных величин по команде выборки эталонной величины, посылаемой микропроцессором или другим аналогичным устройством; сигнал результата сравнения подается на контроллер (схему управления) III диапазоном. Сигнал результата сравнения представляет собой разность упомянутого сигнала входного уровня и эталонной величины (сигнала). Эталонный сигнал предназначен для установления соотношения входного аналогового сигнала и входного уровня ограничения АЦП 105, что поясняется ниже. Оптимальная эталонная величина для наибольшего динамического диапазона АЦП 105 зависит от вида модуляции, которая применяется в данном конкретном случае. Эта величина (эталонная) определяется путем вычитания значения сигнала от пика до среднего значения из фиксированной величины, которая зависит от конкретной схемы АЦП 105. Согласно настоящему предлагаемому изобретению в памяти может храниться множество эталонных величин, что дает возможность использовать множество видов модуляции. В предпочтительном варианте реализации изобретения такое множество эталонных величин задается программными средствами. Контроллер диапазона использует сигнал результата сравнения для регулирования рабочего диапазона АЦП 105 посредством сигнала регулирования, что иллюстрируется фиг. 3 и связанным с ней текстом описания, приводимым ниже.

На фиг. 2 показан детектор уровня 107, который определяет уровень квантованного сигнала на выходе. Квантованный сигнал с выхода АЦП 105 является входным сигналом для поискового (просмотрового) фильтра 201, построенного на ПЗУ и определяющего синфазную составляющую 1 и квадратурную составляющую Q квантованного сигнала. Фильтр 201 представляет собой один из типов фильтров, располагаемых в тракте перед средством детектирования уровня, которые снижают нежелательные шумы, вовлекаемые в процесс детектирования. Применение такого фильтра особенно желательно, если используется АЦП типа "сигма-дельта". Полоса пропускания поискового фильтра 201 значительно превышает полосу замкнутого контура ORAD (что разъясняется ниже), с тем, чтобы не допустить влияния фильтра на переходную характеристику (характеристику нарастания амплитуды) ORAD и пропускать как можно более широкополосные сигналы, которые подаются на детектор уровня, а следовательно, могут воздействовать на ORAD таким образом, что широкополосные сигналы смогут быть приняты в пределах рабочего динамического диапазона АЦП 105. В блоке абсолютного значения 203 вычисляется абсолютное значение составляющей I, а в блоке 207 вычисляется абсолютное значение составляющей Q. Затем абсолютные значения составляющих I и Q складываются в сумматоре 205, в результате чего образуется сигнал входного уровня, показанный на фиг. 1. Другим вариантом детектора уровня 107 может служить квадратурное средство, сигнал на выходе которого пропорционален квадрату входного сигнала. Для специалистов в данной области техники должно быть вполне понятно, что существует множество вариантов выполнения детектора уровня, которые пригодны для данного случая.

На фиг. 3 показан контроллер диапазона III, который предназначен для выработки, в конечном счете, сигнала регулирования диапазона, подаваемого на вход регулирования диапазона АЦП 105. Сигнал результата сравнения с выхода компаратора 109 является входным сигналом для схемы фиксации переменного максимального отрицательного значения 301, выходной сигнал которой, в свою очередь, подается на вход интегратора контура регулирования, состоящего из сумматора 303, блока задержки 305, устройства установки первого нижнего предела 307. Процесс фильтрации осуществляется в основном, именно в этом интеграторе контура, выходной сигнал которого подается на блок подстройки контура, состоящий из устройства установки второго нижнего предела 309, усилителя установки усиления контура 311, устройства установки верхнего предела 313, экспоненциального блока 315 преобразования "цифра-аналог" (Ц/П) и переменных резистора 317 и конденсатора 319. Блок подстройки контура выдает со своего выхода на АЦП 105 сигнал регулирования диапазона, показанный на фиг. 1.

Комбинация интегратора контура и усилителя 311 установки усиления контура в составе контроллера диапазона формирует переходную характеристику ORAD. В предпочтительном варианте реализации изобретения программное обеспечение задает параметры блока подстройки усиления контура, а следовательно, и ширину полосы замкнутого контура ORAD, для обеспечения оптимальной переходной характеристики для различных видов входных аналоговых сигналов. Одним из практических способов регулирования усиления является регулирование использованием множителя 2 путем сдвига двоичных битов, как это и делается в предпочтительном варианте реализации предлагаемого технического решения.

Схема 301 фиксации максимального отрицательного значения привязывает свой выходной сигнал к программируемой величине. Если это значение оказывается меньше мгновенного значения сигнала результата сравнения, то выходной сигнал интегратора контура, а следовательно, и сигнал регулировки диапазона, уменьшаются более медленно, чем в том случае, когда выходной сигнал схемы фиксации максимального отрицательного значения 301 равен мгновенному значению сигнала результата сравнения. Отрицательное значение сигнала результата сравнения соответствует действию ORAD в направлении уменьшения сигнала регулирования диапазона. Как уже упоминалось ранее, схема фиксации максимального отрицательного значения 301 замедляет темп спада сигнала регулирования диапазона, что и определяет такие характеристики ORAD, как более замедленный спад к отрицательным значениям сигнала результата сравнения, чем нарастание в сторону положительных значений этих сигналов. Именно схема 301 обеспечивает цифровую реализацию таких показателей ORAD, как быстрое нарастание и медленный спад сигналов в предпочтительном варианте настоящего изобретения.

Устройства установки нижнего предела 307 и 309 предназначены для обеспечения задержанной ORAD. Второе устройство 309 установки нижнего предела задает нижний предел для сигнала регулирования диапазона, присутствующего на входе АЦП 105. Задержанная АРУ, как известно, не действует до тех пор, пока вырабатываемый ею (схемой АРУ) сигнал не достигнет минимального уровня. В настоящем изобретении задержанная ORAD действует аналогичным образом в том смысле, что она не приводит в действие систему регулирования до тех пор, пока сигнал результата сравнения превышает величину, установленную вторым устройством установки нижнего предела 309. Это устройство 309 максимально увеличивает рабочий диапазон АЦП 105, как и в большинстве подобных преобразователей, при существовании того обстоятельства, что уровень шумов не может непрерывно уменьшаться при непрерывном же уменьшении сигнала регулирования диапазона. Предел, устанавливаемый вторым устройством установки нижнего предела 307 в интеграторе контура, совпадает с величиной предела, установленного устройством 309, так что когда устройство поддерживает заданный им нижний предел, сигнал на выходе интегратора контура остается постоянным и, в предпочтительном случае, имеет ту же величину, что и предел, установленный вторым устройством 309 установки нижнего предела. Назначением первого устройства 307 установки нижнего предела является предотвращение накопления интегратором контура нарастающих и больших отрицательных величин при непрерывно существующем отрицательном значении сигналов результата сравнения вследствие достаточно малых аналоговых сигналов. Такое ограничение путем установки пределов улучшает временные характеристики реагирования ORAD на аналоговые сигналы, величины которых изменяются в широких пределах, оставаясь достаточными для формирования положительных сигналов, результатов сравнения.

В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения сигнал регулирования диапазона на входе АЦП есть сигнал аналоговый. Все устройства, которые непосредственно или через другие элементы схемы связаны с контроллером III диапазона, представляют собой цифровые средства. Вследствие такой различной природы отдельных частей устройства согласно предпочтительному варианту реализации предлагаемого изобретения в нем используется цифро-аналоговый (Ц/А) преобразователь, имеющий то преимущество, что он имеет, в основном, экспоненциальную функцию передачи и обуславливает формирование частотной характеристики ORAD как замкнутого контура регулирования, в значительной степени не зависящим от уровня входного сигнала. В данном варианте кусочно-линейная экспоненциальная функция реализуется в Ц/А преобразователе 315, выходной сигнал которого представляется (в общем виде) выражением V = e^ω . Отдельные элементы ORAD могут быть аналоговыми или цифровыми в зависимости от функций каждого конкретного элемента, что должно быть вполне понятно специалистам в данной области техники. Экспоненциальный Ц/А преобразователь 315 работает по сигналу от устройства установки верхнего предела 313, назначением которого является ограничение максимальной величины сигнала регулирования диапазона для предотвращения чрезмерного возрастания уровня ограничения АЦП 105, создаваемого системой ORAD. Это устройство 313 применяется по тем соображениям, что, как должно быть понятно специалистам, существуют объективные схемные ограничения максимально достижимого уровня сигнала регулирования диапазона.

В предпочтительном варианте реализации предлагаемых устройств и способа перед подачей на вход регулирования диапазона АЦП 105 сигнал с выхода экспоненциального Ц/А преобразователя 315 подвергается в определенной степени аналоговой фильтрации, которая осуществляется для минимизации дополнительных шумов, приходящих на АЦП 105 от Ц/А преобразователя 315 и представляющих собой, в основном, шумы коммутации. Такая фильтрация устраняет также нелинейные явления, возникающие вследствие коммутационных шумов в сигнале регулирования диапазона при работе со множеством входных аналоговых сигналов (например, в присутствии полезного рабочего сигнала и сигнала соседнего канала), вызывающих нежелательные искажения полезного сигнала.

В предпочтительном варианте реализации предлагаемого изобретения полоса пропускания аналогового фильтра регулируется и программируется таким образом, чтобы она была шире полосы замкнутого контура ORAD, когда та программируется в сторону расширения, путем изменения параметров усилителя 311 установки усиления контура. Регулирование и программирование полосы фильтра производится для того, чтобы переходная характеристика замкнутого контура ORAD определялась в первую очередь интегратором контура и усилителем 311, и не испытывала бы значительного влияния со стороны аналогового фильтра.

В предпочтительном варианте реализации предлагаемого изобретения контроллер диапазона устанавливает предел своему выходному сигналу таким образом, чтобы рабочий (действующий) динамический диапазон АЦП 105 был максимален. Все эти пределы устанавливаются так, чтобы отсутствовало воздействие на переходную характеристику ORAD вследствие добавления существенной задержки из-за установки пределов ограничения. Основным назначением настоящего изобретения является создание АЦП с уровнем ограничения, превышающим уровень, входного аналогового сигнала. Величина, на которую уровень ограничения АЦП превышает аналоговый сигнал, зависит от эталонного сигнала на входе компаратора 109. Если присутствует аналоговый сигнал с уровнем, соответствующим уровню ограничения АЦП, создавая входной уровень X, то ORAD повышает уровень ограничения АЦП на величину, на которую эталонный сигнал меньше уровня X, пока сигнал регулирования лежит в пределах, установленных схемами 309 и 313 из состава контроллера диапазона.

Аналоговый сигнал с определенным входным уровнем преобразуют в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе, функционирующем в определенном рабочем динамическом диапазоне. Квантованный аналоговый сигнал обрабатывается в детекторе уровня для определения входного уровня аналогового сигнала. Этот входной уровень сравнивается с эталонным сигналом с образованием сигнала результата сравнения, который используется для регулирования рабочего диапазона преобразователя. Технический результат заключается в создании устройства регулирования рабочего диапазона входящих сигналов, обеспечивающего удовлетворительный шум-фактор, высокую чувствительность и линейность приемника. 2 c. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для регулирования рабочего диапазона входных сигналов, содержащее аналого-цифровой преобразователь со входом для аналогового сигнала, с выходом преобразованного в цифровую форму сигнала и со входом для регулирования диапазона, отличающееся тем, что содержит детектор уровня, соединенный с выходом преобразованного в цифровую форму сигнала и имеющий выход для детектора уровня, соответствующий уровню входного аналогового сигнала, компаратор, имеющий, по меньшей мере, первый вход, соединенный с выходом детектора уровня, второй вход, соединенный с источником эталонной величины, и выход сигнала результата сравнения, контроллер диапазона, имеющий вход, соединенный с выходом сигнала результата сравнения, и выход, соединенный со входом регулирования диапазона, и выполненный таким образом, что контроллер диапазона регулирует диапазон аналоговых сигналов с допустимой пиковой величиной, в пределах которого аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговые сигналы в цифровые. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что детектор уровня включает поисковый фильтр, построенный на ПЗУ, который выделяет синфазную составляющую и квадратурную составляющую преобразованного в цифровую форму сигнала, первое вычислительное средство, соединенное с поисковым фильтром, построенным на ПЗУ, и служащее для определения абсолютного значения синфазной составляющей и формирования абсолютного синфазного сигнала, второе вычислительное средство, соединенное с поисковым фильтром, построенным на ПЗУ и служащее для определения абсолютного значения квадратурной составляющей и формирования абсолютного квадратурного сигнала, и сумматор, служащий для объединения абсолютного синфазного сигнала с абсолютным квадратурным сигналом и выдачи сигнала входного уровня. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что эталонную величину оптимизируют для образования максимального динамического диапазона аналого-цифрового преобразователя. 4. Устройство по пп.1, 2 или 3, отличающееся тем, что выход контроллера диапазона обеспечивает цифровую реализацию быстрого нарастания и медленного спада сигнала управления регулировкой рабочего диапазона. 5. Устройство по пп.1 - 4, отличающееся тем, что контроллер диапазона включает, по меньшей мере, одно устройство установки нижнего предела, обеспечивающее задержанную регулировку диапазона. 6. Устройство по пп.1 - 5, отличающееся тем, что контроллер диапазона включает экспоненциальный цифроаналоговый преобразователь. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что преобразователь контроллера диапазона содержит фильтр шумов, связанный с выходом цифроаналогового преобразователя контроллера диапазона. 8. Способ управления рабочим диапазоном цифрового приемника, отличающийся тем, что принимают аналоговый сигнал, имеющий входной уровень, преобразуют аналоговый сигнал в цифровое представление аналогового сигнала, используя рабочий диапазон, обрабатывают цифровое представление аналогового сигнала для определения входного уровня аналогового сигнала, сравнивают входной уровень аналогового сигнала с эталонной величиной для образования сигнала результата сравнения, и используют сигнал результата сравнения для регулировки рабочего диапазона, при этом рабочий диапазон является диапазоном аналоговых сигналов с допустимыми пиковыми величинами, в пределах которого аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговые сигналы в цифровые. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что обработка цифрового представления аналогового сигнала содержит ступени фильтрации цифрового представления аналогового сигнала, выделения синфазной и квадратурной составляющих, определения абсолютного значения синфазной составляющей, формирования абсолютного синфазного сигнала, определения абсолютного значения квадратурной составляющей, формирования абсолютного квадратурного сигнала, и суммирования абсолютного синфазного и квадратурного сигналов, выдачи входного уровня аналогового сигнала. 10. Способ по п. 8 или 9, отличающийся тем, что использование сигнала результата сравнения содержит этап оптимизации эталонного сигнала для обеспечения максимального динамического диапазона в процессе преобразования.