СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛА В ЦИФРОВУЮ ФОРМУ Российский патент 2004 года по МПК H03M1/12 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиолокации и системам обработки сигналов различного вида. Использование изобретения позволит в современных радиолокационных системах (РЛС), использующих цифровую обработку сигналов, с наибольшей достоверностью преобразовать сигналы в цифровую форму.

В настоящее время в РЛС различного назначения осуществляется как аналоговая, так и цифровая (дискретная) обработка сигналов. Основным недостатком аналоговых устройств обработки сигналов является нестабильность во времени параметров этих устройств, требующая наличия достаточно большого количества различных регулировок и юстировок.

Во всех РЛС, в которых выполняется цифровая обработка сигналов, в силу ограниченного быстродействия вычислителей, преобразование сигналов в цифровую форму осуществляют на пониженной частоте. При этом, в связи со случайным характером начальной фазы сигналов, основной проблемой, возникающей при переводе их на пониженную частоту и дальнейшем преобразовании в цифровую форму, является обеспечение высокой достоверности упомянутого преобразования, то есть обеспечение заданной точности соответствия цифровой формы преобразованного сигнала его аналоговому значению и постоянный контроль работоспособности устройства, осуществляющего данные преобразования.

Для обеспечения заданной точности соответствия цифровой формы преобразованного сигнала аналоговому сигналу при преобразованиях необходимо учитывать как огибающую сигнала, так и его фазу, при этом требуется, чтобы преобразование происходило в реальном времени на частоте в 10-100 раз большей, чем ширина спектра преобразуемого сигнала.

Известны одноканальный [1, стр. 30-33] и двухканальный [1, стр. 33-35, 61-62, 146-147, 237-238] способы преобразования сигнала в цифровую форму. В литературе встречаются и другие названия данных способов: так одноканальный способ иногда называют однофазным, а двухканальный - двухфазным или квадратурным.

Основной недостаток одноканального способа связан с тем, что заданная достоверность преобразования при таком способе может быть обеспечена на частотах в 20-80 раз больших, чем частота, на которой может быть осуществлена реализация двухканального способа. Это обстоятельство, при реализации одноканального способа, обусловливает значительно более высокие требования к вычислителям и значительно усложняет устройство преобразования сигналов.

Из известных технических решений наиболее близким (прототипом) является двухканальный способ преобразования сигнала в цифровую форму, приведенный в [1, стр. 146-147]. Суть способа заключается в том, что преобразуемый аналоговый сигнал вида u_пр=Y_cсos[2π f_ct+ϕ _c(t)] (где Y_c, f_c, ϕ _с - соответственно амплитуда, частота и фаза сигнала, t - текущее время) разделяют на два канала обработки. В первом канале преобразуемый сигнал перемножают с опорным сигналом вида u_oп1=Y_oпcos2π f_опt, где Y_оп - амплитуда опорного сигнала; f_оп - частота опорного сигнала, равная частоте принимаемого радиосигнала. Во втором канале преобразуемый сигнал перемножают с опорным сигналом вида u_oп2=Y_oпsin2π f_опt, отличающимся от опорного сигнала, используемого в первом канале, сдвигом фазы на 90° . В результате перемножения соответствующих сигналов в упомянутых каналах формируют сигналы u₁=Y(t)cos[ϕ ₁(t)] и u₂=Y(t)cos[ϕ ₂(t)], соответственно, где Y(t), ϕ ₁(t), ϕ ₂(t) - соответственно амплитуда и фазы сформированных сигналов, которые далее фильтруют от шумов и составляющих сигналов с удвоенной частотой, переводят в цифровой вид, формируя u_1ц, u_2ц - цифровые образы сигналов u₁, u₂ [2, стр. 176], и по формулам

вычисляют амплитуду U(t) и фазу Ф(t) цифрового сигнала

u_ц=U(t)cosФ(t).

Полученный цифровой сигнал u_ц выдают далее различным потребителям для его дальнейшей обработки. В качестве потребителей обычно выступают пеленгаторы, дальномеры, измерители скорости и др.

Недостаток рассмотренного квадратурного способа заключается в том, что при выходе из строя одного из его каналов, устройство, в котором реализуется данный способ, становится неработоспособным. Кроме этого, при проведении проверки работоспособности устройства, в котором реализуется данный способ, удается охватить не более 30-50% функциональных узлов, входящих в его состав, что не позволяет достоверно оценить правильность упомянутых преобразований.

Таким образом, задачей изобретения является обеспечение более высокой достоверности преобразований аналоговых сигналов в цифровую форму, а также повышение надежности устройств, выполняющих указанные преобразования.

Для облегчения понимания средств достижения поставленной задачи, поясним физические принципы, положенные в основу заявляемого способа. Если преобразование сигналов в цифровую форму осуществлять в трех каналах обработки, фазы опорных сигналов в которых сдвинуты относительно друг друга на 120° , то сигналы на выходе первого, второго и третьего каналов, соответственно, будут иметь вид x=Y(t)cos[ϕ ₁(t)], y=Y(t)cos[ϕ ₂(t)], z=Y(t)cos[ϕ ₃(t)], где Y(t) и ϕ ₁(t), ϕ ₂(t), ϕ ₃(t) - соответственно амплитуда и фазы сигналов. Наличие трех сигналов, полученных из исходного перемножением последнего на сигналы одинаковой амплитуды с фазами, отличающимися на 120° , дает возможность:

1) представить преобразуемый сигнал в виде комплексного числа

A=Ye^j0+Ye^{j2π /3}+Ye^{j4π /3},

где Y - амплитуды составляющих этого числа; е^j0, е^{j2π /3}, е^{j4π /3} - базисные векторы трехфазной системы, е - основание натурального логарифма; j - мнимая единица;

2) проверить качество выполнения любых преобразований такого сигнала, как комплексного числа, по величине суммы этих сигналов

∑ =x+y+z.

При идеальных преобразованиях сумма ∑ =0. Данное утверждение можно легко доказать, если представить упомянутые сигналы в виде трех векторов, приведенных на фиг.1: сумма трех векторов одинакового модуля и развернутых друг относительно друга на 120° равна нулю.

Если сумма ∑ ≠ 0, можно однозначно утверждать, что при преобразованиях допущены ошибки, причем, чем больше значение ∑ , тем больше степень искажения исходного сигнала. Задавшись ∑ _{контр 1} - контрольным значением упомянутой суммы, можно предъявить к преобразованию такого сигнала требования по допустимым искажениям. При таком подходе, при констатации факта

считают, что преобразования выполнены с допустимыми ошибками, в противном случае - с недопустимыми;

3) при невыполнении условия (1) оценить работоспособность любого из упомянутых каналов (пропадание в нем сигнала) по результатам сравнения сумм

∑ ₁=x+y; ∑ ₂=x+z; ∑ ₃=z+y,

с ∑ _{контр 2} - другой контрольной суммой.

Если одна из сумм ∑ ₁, ∑ ₂ или ∑ ₃ больше ∑ _{контр 2}, то констатируют факт выхода из строя канала, сигнал которого не используется в данной сумме. Например, если ∑ ₂&γτ;_{∑ контр 2, то можно утверждать, что неисправен канал, где формируют сигнал “у”.}

Если все суммы ∑ ₁, ∑ ₂ и ∑ ₃ меньше ∑ _{контр 2}, то констатируют факт неработоспособности преобразователя и преобразования прекращают;

4) при констатации факта неработоспособности одного из каналов, преобразование исходного сигнала осуществлять при использовании работающих любых двух каналов.

Итак, в заявленном способе: 1. Преобразуемый сигнал вида u_пр=Y_ccos[2π f_ct+ϕ _c(t)] разделяют на три канала обработки. В первом канале его перемножают с опорным сигналом вида u_оп1=Y_опcos2π f_ot. Во втором канале его перемножают с опорным сигналом вида u_oп2=Y_oпcos(2π f_ot+2π /3), отличающимся от опорного сигнала, используемого в первом канале, сдвигом фазы на 120° . В третьем канале его перемножают с опорным сигналом вида u_oп3=Y_oпcos(2π f_ot+4π /3), фаза которого равна 240° . В результате перемножения в первом, втором и третьем каналах формируют сигналы

соответственно, где Y(t) - амплитуда сигналов; ϕ ₁(t), ϕ ₂(t), ϕ ₃(t) - фазы сигналов. Каждый из упомянутых сигналов в соответствующем канале известным способом [1, стр. 66-69, 98, 111] фильтруют от шумов и составляющих сигналов с удвоенной частотой. Отфильтрованные сигналы известным способом [2, стр. 175-176] преобразуют в цифровой вид, то есть формируют u_1ц, u_2ц, u_3ц - цифровые образы сигналов u₁, u₂, u₃, и формируют цифровой сигнал

для которого амплитуду U(t) и фазу Ф(t) определяют известным способом по амплитудам и фазам сигналов u₁, u₂, и u₃ как элементам трехфазной системы A=Ye^j0+Ye^{j2π /3}+Ye^{j4π /3}.

Полученный цифровой сигнал u_ц(t) выдают далее потребителям для его дальнейшей обработки.

Периодически в процессе выполнения вышеописанных преобразований осуществляют проверку их достоверности. Суть проверки заключается в том, что от входов всех каналов отключают u_пр преобразуемый сигнал и подключают к ним u_ис - сигнал от имитатора сигналов, как эталонный. Поскольку параметры u_ис сигнала имитатора сигналов полностью известны, то, осуществив над ним вышеописанную последовательность действий, по полученным цифровым сигналам u_1ц, u_2ц, u_3ц осуществляют контроль достоверности преобразований путем сравнения суммы ∑ =u_1ц+u_2ц+u_3ц, полученной сложением сигналов с выходов всех каналов, с ∑ _{контр 1} - контрольным значением этой суммы. При этом, если ∑ ≤ ∑ _{контр 1}, то считают, что преобразования выполняют с допустимыми ошибками, и описанный выше процесс преобразований возобновляют. Если ∑ ≤ ∑ _{контр 1}, то считают, что преобразования выполняют с недопустимыми ошибками, и процесс преобразований прекращают.

2. Преобразование возможно и при ∑ ≤ ∑ _{контр 1}, но тогда работоспособность упомянутых каналов оценивают путем сравнения сумм ∑ ₁=u_1ц+u_2ц, ∑ ₂=u_1ц+u_3ц и ∑ ₃=u_2ц+u_3ц, полученных сложением сигналов с выходов соответствующих каналов, с ∑ _{контр 2} - другим контрольным значением сумм.

При этом:

а) если все суммы ∑ ₁, ∑ ₂ и ∑ ₃ меньше ∑ _{контр 2}, то считают, что преобразования выполняют с недопустимыми ошибками, и их прекращают;

б) если одна из сумм ∑ ₁, ∑ ₂ или ∑ ₃ больше ∑ _{контр 2}, то констатируют факт выхода из строя одного канала, сигнал которого не используется в данной сумме. В этом случае преобразование исходного сигнала осуществляют так же, как и при условии ∑ ≤ ∑ _{контр 1}, но амплитуду U(t) и фазу Ф(t) преобразованного цифрового сигнала вычисляют не по формулам (3), а по следующим формулам:

При практической реализации заявленного способа необходимо учитывать следующее.

1. Частота проверок, выполняемых с целью оценивания достоверности осуществляемых преобразований, может быть выбрана любой, например, через такт, 1 раз в секунду или 1 раз в 10 с, в зависимости от того, насколько велика степень последствий, допущенных при преобразованиях ошибок. Чем выше требования к достоверности выполняемых преобразований, тем чаще должна проводиться указанная проверка. Например, при преобразованиях сигналов в цифровую форму в РЛС, обеспечивающей посадку летательного аппарата, контроль достоверности преобразований должен осуществляться практически через такт работы РЛС, поскольку ошибка, возникшая при преобразованиях, может привести к авиакатастрофе; в тоже время в той же РЛС, обеспечивающей сопровождение летательного аппарата по маршруту, контроль достоверности преобразований можно осуществлять 1 раз в 5-10 с ее работы.

2. Величина ∑ _{контр 1}, назначаемая исходя из допустимых ошибок преобразований, никак не влияет на последовательность вышеописанных преобразований и может быть получена в процессе испытаний конкретного преобразователя сигналов в цифровую форму того или иного назначения.

3. Величина ∑ _{контр 2} по физической сути не отличается от ∑ _{контр 1} и назначается также исходя из допустимых ошибок преобразований.

Для лучшего понимания заявленного способа как процесса выполнения действий над материальными объектами с помощью материальных средств и подтверждения возможности осуществления заявленного изобретения на фиг.2 изображена структурная схема возможного варианта построения трехканального устройства преобразования сигналов в цифровую форму, в котором реализован заявленный способ, где:

1 - первый фазовый детектор (ФД1);

2 - первый фильтр нижних частот (ФНЧ1);

3 - первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП1);

4 - коммутатор;

5 - второй фазовый детектор (ФД2);

6 - второй фильтр нижних частот (ФНЧ2);

7 - второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП2);

8 - третий фазовый детектор (ФД3);

9 - третий фильтр нижних частот (ФНЧ3);

10 - третий аналого-цифровой преобразователь (АЦП3);

11 - первый фазовращатель;

12 - второй фазовращатель;

13 - анализатор;

14 - вычислитель.

Функционально трехканальный преобразователь сигналов в цифровую форму состоит из коммутатора 4, трех однотипных каналов обработки, анализатора 13 и вычислителя 14. На вход коммутатора 4 подают u_пр преобразуемый сигнал и u_ис сигнал от имитатора сигналов, а выход соединен с входами трех каналов. На управляющий вход коммутатора 4 из системы управления подают управляющий сигнал. В состав первого канала обработки входят последовательно соединенные ФД1 1, ФНЧ1 2 и АЦП1 3. В состав второго канала входят последовательно соединенные ФД2 5, ФНЧ2 6, АЦП2 7 и первый фазовращатель 12, выходом соединенный с ФД2 5. В состав третьего канала входят последовательно соединенные ФД3 8, ФНЧ3 9, АЦП3 10 и второй фазовращатель 11, выходом соединенный с ФД3 8. Па первые входы первого 12 и второго 11 фазовращателей подают опорный сигнал от гетеродина. На вторые входы первого 12 и второго 11 фазовращателей подают управляющие сигналы с выхода анализатора 13. Первый, второй и третий входы анализатора 13 соединены с выходами АЦП1 3, АЦП2 7 и АЦП3 10, соответственно, а выход - с входом вычислителя 14.

Заявленная в предлагаемом способе последовательность действий и условия их проведения подтверждаются динамикой работы приведенного преобразователя сигналов в цифровую форму, в котором реализован заявленный способ преобразования.

Преобразуемый сигнал u_пр подают на первый вход коммутатора 4. Коммутатор 4 при наличии на его управляющем входе управляющего сигнала от системы управления обеспечивает передачу преобразуемого сигнала на первые входы ФД1 1, ФД2 5 и ФД3 8. С опорного гетеродина опорный сигнал вида u_oп1=Y_oпcos2π f_ot подают: на второй вход ФД1 1; на вход первого фазовращателя 12, где в результате сдвига фазы этого сигнала на 120° формируют сигнал u_oп2=Y_oпcos(2π f_ot+2π /3), который подают на второй вход ФД2 5; на вход второго фазовращателя 11, где в результате сдвига фазы этого сигнала на 240° формируют сигнал u_oп3=Y_oпcos(2π f_ot+4π /3), который подают на второй вход ФД3 8. В ФД1 1, ФД2 5 и ФД3 8 поданные на них соответствующие упомянутые сигналы перемножают, в результате чего на их выходах формируют сигналы u₁, u₂ и u₃ (2), соответственно. С выходов ФД1 1, ФД2 5 и ФД3 8 соответствующие упомянутые сигналы подают на ФНЧ1 2, ФНЧ2 6 и ФНЧ3 9, где осуществляют фильтрацию этих сигналов от шумов и составляющих сигналов с удвоенной частотой. Отфильтрованные сигналы с выходов ФНЧ1 2, ФНЧ2 6 и ФНЧ3 9 подают на входы, соответственно, АЦП1 3, АЦП2 7 и АЦП3 10, где их преобразуют в цифровой вид, формируя их цифровые образы u_1ц, u_2ц, u_3ц, и далее подают в вычислитель 14 транзитом через анализатор 13. В вычислителе 14 по формулам (3) вычисляют U(t) амплитуду и Ф(t) фазу преобразованного сигнала и полученный u_ц (4) цифровой сигнал выдают потребителям для его дальнейшей обработки.

Периодически для проверки качества проводимых преобразований, в процессе вышеописанной работы преобразователя, с управляющего входа коммутатора 4 снимают управляющий сигнал. В результате чего от первых входов ФД1 1, ФД2 5 и ФД3 8 отключают u_пр преобразуемый сигнал и через коммутатор 4 подключают сигнал u_ис, подаваемый от имитатора сигналов, являющийся для преобразователя эталонным. С сигналом u_ис имитатора сигналов осуществляют всю описанную выше последовательность действий и полученные в результате их выполнения цифровые сигналы u_1ц, u_2ц u_3ц подают в анализатор 13. В анализаторе 13 формируют сумму ∑ =u_1ц, u_2ц u_3ц путем сложения сигналов с выходов всех трех каналов и сравнивают ее с введенным до начала работы преобразователя и запомненным ∑ _{контр 1} - значением контрольной суммы. При этом, если ∑ ≤ ∑ _{контр 1}, то считают, что преобразователь работоспособен, и его работу возобновляют. Если ∑ &γτ; ∑ _{контр 1}, то в анализаторе 13 формируют три суммы ∑ ₁=u_1ц+u_2ц, ∑ ₂=u_1ц+u_3ц и ∑ ₃=u_2ц+u_3ц путем сложения сигналов с выходов соответствующих каналов и сравнивают их с введенным до начала работы преобразователя и запомненным ∑ _{контр 2} - другим значением контрольной суммы. Если одновременно каждая из сумм ∑ ₁, ∑ ₂ и ∑ ₃ меньше ∑ _{контр 2}, то констатируют факт неработоспособности преобразователя и его выключают. Если одна из сумм ∑ ₁, ∑ ₂ или ∑ ₃ больше ∑ _{контр 2}, то констатируют факт выхода из строя одного канала, сигнал которого не используется в данной сумме. В этом случае преобразование исходного сигнала возобновляют вышеописанным способом, но в вычислителе 14 амплитуду U(t) и фазу Ф(t) преобразованного цифрового сигнала u_ц вычисляют по одной из формул (5).

Таким образом, использование изобретения обеспечит более высокую достоверность преобразований аналоговых сигналов в цифровую форму, поскольку периодически осуществляется контроль качества проводимых преобразований, а также повысит надежность устройства, выполняющего указанные преобразования, так как при выходе из строя одного из его каналов имеется возможность его дальнейшей работы при работоспособных оставшихся двух других.

К принципам построения и алгоритмам функционирования фазовых детекторов, фильтров нижних частот, аналого-цифровых преобразователей и фазовращателей заявленный способ не предъявляет никаких особых требований: в качестве указанных устройств могут быть использованы любые из существующих в настоящее время. В качестве анализатора и вычислителя могут быть использованы любые цифровые вычислители. Все сказанное подтверждает практическую применимость заявленного способа.

Использованная литература

1. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981.

2. Меркулов В.И., Перов А.И., Саблин В.Н. и др. Радиолокационные измерители дальности и скорости. T.1. - M.: Радио и связь, 1999.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокационных системах, использующих цифровую обработку сигналов. Достигаемый технический результат - обеспечение более высокой достоверности преобразований аналоговых сигналов в цифровую форму, повышение надежности. Способ преобразования сигнала в цифровую форму основан на разделении преобразуемого сигнала по разным каналам, обработке и перемножении его в этих каналах с опорными сигналами равной амплитуды со сдвинутыми относительно друг друга фазами и формировании тем самым сигналов U₁, U₂ и U₃, которые в соответствующем канале фильтруют, преобразуют в цифровой вид, формируя тем самым цифровые образы сигналов U_1ц, U_2ц и U_3ц, и формировании цифрового сигнала U_ц=U(t)cos[Ф(t)], для которого амплитуду U(t) и фазу Ф(t) определяют по амплитудам и фазам сигналов U₁, U₂ и U₃, как элементам трехфазной системы, периодически упомянутые сигналы U_1ц, U_2ц и U_3ц получают упомянутым выше образом, используя вместо преобразуемого сигнала эталонный сигнал, далее U_1ц, U_2ц и U_3ц складывают и полученную сумму сравнивают с контрольной суммой и по полученному результату судят о допустимости ошибок и необходимости возобновления или прекращения процесса преобразований. 2 ил.

Способ преобразования сигнала в цифровую форму, основанный на разделении преобразуемого сигнала по разным каналам обработки и перемножении его в этих каналах с опорными сигналами равной амплитуды со сдвинутыми относительно друг друга фазами, отличающийся тем, что преобразуемый сигнал вида u_пр=Y_cсos[2πf_сt+ϕ_с(t)] разделяют на три канала обработки, в первом канале его перемножают с опорным сигналом вида u_оп1=Y_опcos2πf_ot, во втором канале - с опорным сигналом вида u_оп2=Y_опcos(2πf_ot+2π/3), в третьем канале - с опорным сигналом вида u_оп3=Y_oпcos(2πf_ot+4π/3), тем самым формируют сигналы

в первом, втором и третьем каналах соответственно,

где Y_c, Y_оп - амплитуды преобразуемого и опорного сигналов соответственно, ϕ_с(t) - фаза преобразуемого сигнала, f_o - частота опорного сигнала, равная f_c - частота преобразуемого сигнала, t - текущее время, Y(t), ϕ₁(t), ϕ₂(t), ϕ₃(t) - амплитуда и фазы сигналов, сформированных в первом, втором и третьем каналах соответственно, сигналы u₁, u₂, u₃ (1) в соответствующем канале фильтруют, преобразуют в цифровой вид, формируя тем самым u_1ц, u_2ц, u_3ц - цифровые образы сигналов u₁, u₂, u₃, и формируют цифровой сигнал u_ц=U(t)cos[Ф(t)], для которого амплитуду U(t) и фазу Ф(t) определяют по амплитудам и фазам сигналов u₁, u₂ и u₂ как элементам трехфазной системы Ye^j0+Ye^j2π/3+Ye^j4π/3, в которой Y, е^j0, e^j2π/3, е^j4π/3 - амплитуда и базисные векторы соответственно, причем периодически преобразуемый сигнал u_пр отключают от входов всех каналов, подключают к каждому каналу эталонный сигнал, перемножают его в каждом из каналов с соответствующим опорным сигналом, формируют сигналы u₁, u₂, u₃ (1), фильтруют их и преобразуют в цифровой вид u_1ц, u_2ц, u_3ц, далее сигналы u_1ц, u_2ц и u_3ц складывают и полученную сумму Σ=u_1ц+u_2ц+u_3ц сравнивают с Σ_{контр 1} - контрольной суммой, при этом, если Σ≤Σ_{контр 1}, то считают, что преобразования выполняют с допустимыми ошибками, и описанный выше процесс преобразований возобновляют, если Σ>Σ_{контр 1}, то считают, что преобразования выполняют с недопустимыми ошибками, и процесс преобразований прекращают.