Синхронный фильтр Советский патент 1984 года по МПК H03H17/00 H03H19/00 

- Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для фильтрации когерентных импульсных сигналов с преобразованием выходных сигналов в цифровой код в форме с плавающей запятой, например в приемоиндикаторах импульснофазовых радионавигационных систем (ИФРНС) ., Известен синхронный фильтр, содержащий блок емкостных накопителей коммутируемых периодически механическими или электронными ключами. Каждый емкостный накопитель подключается с периодом Т к входному сигналу в течение -интервала йТ через ак тивное сопротивление, образуя с ним интегрирующую цепь, постоянная времени которой значительно больше ЛТ . При зтом составляющая входного сигна ла, асинхронная относительно частоты i 1/Т, сможет вызвать лишь незначительные колебания напряжения, на конденсаторах блоков емкостных накопителей. В то же время составляющая входного сигнала, синхронная частоте f , после соответствующего числа периодов Т полностью заряжает конденсатор, т.е. каждый конденсатор заряжается до такого мгновенного значения синхронной составляющей входного сигнала, какое последняя принимает в моменты коммутации данного конденсатора lj , Постоянная времени разрядной цепи Кц.С, где Rjjj - сопротивление утечки накопительного конденсатора, а С - его емкость, определяет предельное число К д периодов Т накопления значений входного сигнала. Если огра ничить потери от влияния сопротивления утечки R величиной 1 дБ, то предельное значение КгЛях определяется выражением . Отсюда вытекает недостаток извест ного синхронного фильтра - невозмож ность длительного накопления слабых сигналов из-за влияния сопротивления утечки Ry накопительных конденсаторо Кроме того, данный синхронный фильтр являясь аналоговым, имеет ограниченный динамический диапазон и нестабильные характеристики. Всё это огра ничивает в известных синхронных ,фильтрах точность фильтрации. Наиболее близким по технической сущности к предложенному является синхронный фильтр, содержащий И идентичных коммутируемых накопителей и генератор импульсов, соответствующие выходы которого подключены к входам соответствующего коммутируемого накопителя, причем в качестве накопителей используются конденсаторы 2. Однако влияние сопротивления утечки конденсаторов делает невозможным длительное время накопления слабых сигналов и поэтому ограничивает точность фильтрации. Цель изобретения - повышение точности фильтрации. Цель достигается тем, что в синхронньш фильтр, содержащий П идентичных коммутируемых накопителей и генератор импульсов, соответствующие выходы которого подключены к входам соответствующего коммутируемого накопителя, введены счетчик, два селектора, последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь, управляемый аттенюатор, вычитатель, второй вход которого является входом синхронного фштьтра, и усилитель-ограничитель, вькод которого соединен с управляющими входами коммутируемьк накопителей, первые и вторые выходы которых подключены соответственно через первыйселектор к управляющему входу цифроаналогового преобразователя и через второй селектор к управляющему входу управляемого ат- тенюатора, дополнительный выход генератора импульсов соединен с стробирующими входами селекторов и входом счетчика, выход которого соединен с управляющими входами селекторов, причем выход управляемого аттенюатора является аналоговым выходом синхронного фильтра, а выходы селекторов - цифровым выходом синхронного фильтра. -Кроме того, коммутируемый накопитель содержит реверсивньй счетчик, комбинационный логический блок и дешифратор, причем первый и второй входы реверсивного счетчика являются соответствующими входами коммутируемого накопителя, выходыт младших разрядов реверсивного счетчика и старшего разряда являются первым выходом коммутируемого накопителя, выходы остальных CJ, младшго: разрядов реверсивного счетчика чере комбинационный логический блок подключены к входам дешифратора, пыход которого является вторым выходом коммутируем го накопителя, выход старшего разр да реверсивного счетчика соединен управляю1цим входом комбинационного логического блока, . На фиг.1 приведена структурная электрическая схема предложенного синхронного фильтра; на фиг.2 структурная электрическая схема ком мутируемого накопителя; на фиг.З диаграммы, поясняющие работу синхронного фильтра; на фиг.4 - време ная диаграмма переходного процесса в синхроном фильтре. Синхронный фильтр содержит коммутируемые накопители 1 и 2, генератор 3 импульсов, счетчик Д, первый и второй селекторы 5 и 6, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 7, управляемый аттенюатор 8, вычитатель 9, усилитель-ограничитель 10 коммутируемый накопитель содержит реверсивный счетчик 11, комбинацион ный логический блок 12, дешифратор 13. Синхронный фильтр работает следу ющим образом. Управляемьй аттенюатор 8 реализу ется в виде пассивного цифроаналого в.ого делителя напряжения на основе цифроуправляемого сопротивления ЦУС-SN, либо цифроуправляемой прово димости ЦУП-УЫ. Выходное напряжение такого цифроаналогового делителя напряжения определяется выражением .liemv ON где DO - входное напряжение цифрЬаналогово о делителя. W максимально возможное значение цифрового кода на его управляющем входе (постоянная величина), N - текущее значение цифровог кода, которое будет определено в дальнейшем как характеристика. Напряжение ( на выходе цифроана логового преобразователя 7 связано со значением кода М на его управляю щем входе соотношением U СМ, где С - схемный коэффициент передачи ЦАП 7. Значение ЛЛ определено ниже как мантисса. Здесь и в дальнейшем будем для определенности считать. что запятая зафиксирована перед старшим значащим разрядом кода мантиссы ЛЛ и после младшего разряда кода характеристики М. Выходное напряжение ЦАП 7 является входным для управляемого аттенюатора 8 (т.е.У Up ) J поэтому lay Таким образом, напряжение на аналоговом выходе синхронного фильтра пропорционально произведению значений кодов на управляющих входах ЦАП 7 и управляемого аттенюатора 8. Ниже рассмотрено, как образуются указанные коды и как связаны, между собой их значения М и N . ЦАП 7 обеспечивает диапазон напряжений на своем выходе,- определяемый соотношением Поп (i-2)Ufe-vUo где Llgq - опорное напряжение ЦАП 7, . 1 - число его значащих управляемых разрядов. Старший (m+l)-и управляющий разряд ЦАП 7 является знаковым. При положительном знаке опорного напряжения выходное напряжение ЦАП 7 положительно, если на знаковый разряд подан код нуля, и отрицательно, если на знаковом разряде - код единицы. На значащие управляющие разряды ЦАП 7 подается инверсное значение Mm -разрядного входного преобразуемого кода. Выходное напряжение такого ЦАП 7 связано со значением- входного кода М следутоо1ими соотношениями Uo(M+2) при (2) при (3) Uon ЛЛ Как следует из выражения (2), при положительном значении выходного напряжения ЦАП 7 в его значение вносится погрешность величиной Uof, 2 пропорциональная весу .младшего разряда входного кода М . Но эта погрешность ЦАП 7 носит систематический характер и при необходимости легко учитывается. Выражение (1) с учетом применения указанной схемы 7 сводится к следующим двум соотношениям -(,м. np«U,,,,o (4) max ..,

из которых следует, что напряжение на аналоговом выходе синхронного фильтра пропорционально произведению кодов М и N на управляющих входах соответственно ЦАП 7 и управляемого аттенюатора 8.

Синхронный фильтр вьщеляет значения входного импульсного сигнала, синхронного рабочей частоте i 1/Т фильтра, причем количество пыделяемых значений равно числу П коммутируемых накопителей 1 и 2. В рассматриваемом варианте синхронного фильтра П 2. .

Принцип работы синхронного фильтра основан на компенсации выделяемых значений входного напряжения U gx (t) напряжением Uft,n i: на вычитающем входе вычитателя 9. С приходом каждого входного радиоимпульса в каждый из двух моментов выделения значений входного напряжения к управляющим входам ЦАП 7 и управляемого аттенюатора 8 подключаются выходы соответствующих коммутируемых накопителей 1 или 2. Коды М и М на выходах подключенного в данный момент коммутируемого накопителя 1 или 2 определяются содержимым его реверсивного счетчика 11 и в соответствии с выражениями -(4) или (5) задают компенсирующие значения и дьщ (t) .В зависимости 6т знаков разностей напряжений U (i) и .Ujij Ji)B соответствующие моменты времени содержимое коммутируемых накопителей 1 и 2 изменяется в каждом периоде в направлении уменьшения модулей paзнocтёйllg t}-UJblдlt)кoтopыe в пределе стремятся к нулю,. В ре-

зультате выходное напряжение Uebix синхронного фильтра в каждом периоде Т представляется в рассматриваемом варианте синхронного фильтра в виде двз вьщеленных значений его входного напряжения,и gx {Ь)

Очевидно, что наибольщеё по модул напряжение/Up i / на выходе управляемого аттенюатора 8 (аналоговом выходе синхронного фильтра) должно быть достаточным для компенсации максимально возможного по абсолютной величине входного напряжения/Овц/ синхронного фильтра. Типовое значение максимума модуля выходного напряжения цифроаналоговых преобразователей равно практически опорному напряжению И преобразователя. Максимальное значение коэффициента передачи управляемого аттенюатора 8 опрделяется выражением 1-2(1-2 ), где И - число разрядов кода на его управляющем входе и при h 5 близко

значению 0,5, Отсюда/У5ьиДах 0,5 Ugn , и условие OjSllonyUg,/ определяет нобходимое значение опорного напряжения ЦАП 7.

На фиг.З а приведена временная даграмма когерентной последовательности входных радиоимпульсов, следующих с периодом Т . Количество выделяемых мгновенных значений радиоимпульса равно двум - по числу коммутируемых накопителей 1 и 2 синхронного фильтра. На фиг.З б и 3 в приведены временные диаграммы импульсов генератора 3, поступающих на вторые (счетные) входы реверсивного счетчика 11 коммутируемых накопителей 1 и 2 соответственно, на фиг.З г - временные диаграммы импулсов, поступающих с дополнительного выхода генератора 3 на счетный вход счетчика 4 и стробирующие входы селекторов 5 и 6. Оба указанных стро:бирующих импульса имеют одинаковое назначение - задают отрезок времени в течение которого в каждом периоде Т к управляющим входам ДАЛ 7 и управляемого аттенюатора 8 подключаются выходы коммутируемых накопителей 1 и 2, т.е. каждому коммутируемому накопителю соответствует свой стробирующий импульс. На фиг.З б,в и г через К и обозначено число радиоимпульсов, поступивших на вход синхронного фильтра с начала его работы (без учета текущего радиоимпульса). На фиг.З д показано формирование на аналоговом выходе синхронного фильтра вьщеляемых мгновенных значений входного радиоимпульса.

На фиг.4 приведена временная диаграмма переходного процесса в синхронном фильтре. По оси абсцисс отложены порядковые номера периодов, прошедших с момента включения синхронного фильтра. Так как значения входного напряжения синхронного фильтра в моменты i2 неизменны, то на фиг.4 ll(+if) н Ugjj() изображены для удобства в виде прямых, параллельных оси абсцисс. Такое представление U(.t + +iT) и Ug() тем более приемлемо, что по оси абсцисс отсчитывается не собственно время, а номера периодов. с этой же позиции следует ( сматривать и представление Ц и U..,,(t4+i,T) в виде непрерывных ступенчатых диаграмм, в то время как в действительности указанные на пряжения появляются на выходе управ ляемого аттенюатора 8 (аналоговом выходе синхронного фильтра) только в моменты подключения соответствующего коммутируемого накопителя 1 или 2 .к управляющим входам ЦАП 7 и управляемого аттенюатора 8 (фиг.З д На фиг.4 принято, что ) o,2iUon. аие,{Ц,тН,420 Содержимое реверсивных счетчиков 11 коммутируемых накопителей 1 и 2 рассматриваем в ввде чисел в форме с плавающей запятой, йричем младшие tn разрядов реверсивного счетчика 1 образзпот мантиссу ЛЛ числа, старший разряд - его знак, а остальные о разрядов - порядок,- Примем для опре деленности, что 1Т) 4, а О 2. Не- большое количество разрядов принято для удобства построения диаграммы .{фиг,4) и не нарушает общности рас)суждений. При помощи комбинационного логического блока 12 и дешифрато 13 С, - разрядный позиционный двоичн код 0-порядка преобразуется в унитарны двоичный t/-разрядный кодлхарак теристики () на втором выходе коммутируемого накопителя 1 или 2, Отметим, что при О 2, П 4, Конкретизируем выражения (4) и и учитывая, приа 0. (7) Комбинационный логический блок 12передает на вход дешифратора 13 прямое значение кода порядка на своем информационном входе, если на его управляющем входе присутству ет код нуля, и инверсное значение кода порядка, если на управляющем входе - код единицы. Инверсное значение кода порядка необходимо для получения требуемого значения характеристики на выходе дешифратора 13(втором выходе коммутируемого накопителя) при отрицательных значениях входного напряжения синхронного фильтра. рас 88 Дешифратор 13 непосредственно преобразует позиционный двоичный код порядка Q , поступающий на его вход, в унитарный двоичньй код ха рактеристики N на выходе, Количество разрядов счетчика 4 определяется требуемым числом различных состояний на его выходе, кот.орое равно числу коммутируемых накопителей 1 или 2 синхр.онного фильтра. Очевидно, что при числе коммутируемых накопителей, равном двум, можно в качестве счетчика 4 использовать одноразрядный счетчик (счетный триггер) , так как для управления работой селекторов 5 и 6 достаточно двух состояний (Си 1) на управляющем входе каждого из них. Причем, например, что при нулевом состоянии счетчика 4 селекторы 5 и6 коммутиру-. ют выходы коммутируемого накопителя 1, а при единичном - коммутируемого накопителя 2, Пусть в исходном состоянии реверсивные счетчики 11 коммутируемых 2 и счетчик 4 устанакопителей 1 и новлены в нули О 00 0000 (+) Q М (8) этом на первом и втором выхообоих коммутируемых накопителей 2 установятся коды 2-й выход .1-й выход ,0 j Ч . (-) Как отмечалось ранее,для управления ЦАП 7 используется инверсное значенйеМ кода мантиссы, т,е, коды на выходах накопителей, используемые непосредственно для управления ЦАП 7 и управляемым аттенюатором 8, в исходном состоянии будух 2-й выход 1-й выход °иЩ-Ь N Условимся, что в дальнейшем, исключая специально оговоренные случаи, под кодом на первом выходе коммутируемых накопител ей 1 и 2 будем понимать именно используемое для управления ЦАП 7 инверсное значение М кода мантиссы В момент t( на стробирующие входы електоров 5 и 6 поступает импульс (фиг,3 г) с дополнительного выхода

9

генератора 3 импульсов, и селекторы пропускают коды с первого и второго вьиодов коммутируемого накопителя 1 на управляющие входы НАЛ 7 и управляемого аттенюатора 8 соответственно. В интервале i;,-tg на вычитающем входе вычитателя 9 устанавливается напряжение, определяемое в соответствии с кодами (9) по выражению (6) так как при нуле в старшем разряде реверсивного счетчика 11 напряжение на выходе ЦАП 7 положительно. Напомним, что указанный разряд является старшим (знаковым) разрядом первого выхода коммутируемого накопителя 1.

Следовательно, к моменту i-n на аналоговом выходе синхронного фильтра действует напряжение .L|i l)«Mvt4Mlon(0.2-1 uo ° При этом текущее значение N 2 Отсюда следует, что i(t)-Ug u(t2)0, и на выходе усилителяограничителя 10 устанавливается напряжение логической единицы, поступающее на первые входы (управляющие входы сложение/вычитание) реверсивных счетчиков 11 коммутируемых накопителей 1 и 2. По заднему импульса на втором (счетном) вхо де реверсивного счетчика 11 коммутируемого накопителя 1 в момент 12 (фиг.З б) к его содержимому (8) добавляется единица младшего разряда, |и оно (содержимое.реверсивного счет чика 11) примет вид (+) Q м (10) а на выходах коммутируемого накопителя 1 установятся коды 2-й выход .1-й выход 0001ОЦДг .N(+)М (11) В момент tn состояние счетчика 4 изменяется на противоположное (единичное) , в момент Та повторного появления в данном периоде Т импульса на стробирующих входах селек торов 5 и 6 последние пропускают на управляющие входы ЦАП 7 и управляемого аттенюатора 8 коды соответстве но с первого и второго выходов другого коммутируемого накопителя 2.

31П2810

Так как исходное состояние обоих коммутируемых накопителей 1 и 2 одинаково, то к моменту t напряжение на аналоговом выходе синхронного 5 фильтра (вычитающем входе вычитателя 9) будет также равно 1 . . Отсю2ftO M

да ир(Ц )(t), на выходе усилителя-ограничителя 10 устанав.пивается

to напряжение логического нуля, и в момент t по заднему фронту второго импульса (фиг.З г) на счетном входе реверсивного счетчика 11 коммутиру емого накопителя 2 из его исходного

5 состояния (8) вычтется единица младшего разряда. Содержимое реверсивного счетчика 11 коммутируемого накопителя 2 примет вид (-) Q М (12) а на выходе коммутируемого накопителя 2 устанавливаются коды 2-й выход 1-й выход N (-)М (13) Запомним, что при коде единицы в знаковом разряде реверсивного счетчика 1 1 на вход дешифратора 13 поступает не прямое значение 11 кода порядка, а инверсное - 00, что обеспечивает на втором выходе коммутируемого накопителя 2 код характеристики 0001 . В момент i:t одновременно с отмеченным Bbmie изменением содержимого реверсивного счетчика 11 коммутируемого накопителя 2 счетчик 4 возвращается в исходное (нулевое) состояние и в момент (во втором периоде) на управляющие входы ЦАП 7 и управляемого аттенюатора 8 через селекторы 5 и 6 поступают коды (11) с выхода коммутируемого накопителя 1. По выраЗкению (6) определяем, что при этом к моменту на аналоговом выходе синхронного фильтра устанавливается напряжение U ,((-Т) 1 U Так как U(t2 + T)-U,,,,(t2 -Т)0, в MOMeHTTj+T к содержимому (10) реверсивного счетчика 11 коммутируемого накопителя 1 добавляется еще одна единица младшего разряда теристик с выходов коммутируемых на копителей 1 и 2 соответственно. Поэ тому выходы селекторов 5 и 6 совместно образуют цифровой выход синхронного фильтра. Для удобства сравнения значения кодов (16) на цифровом выходе синхронного фильтра в режиме слежения представим в десятичной системе счисления MN |.4 3 1|иМН Аналогично для кодов (17) получим „H, (-f). д() ., В отличие от напряжений на анало говом выходе синхронного фильтра со ответствующие им значения на цифровом выходе отличаются не точно вдво Это связано с упомянутой ранее сист матической погрепшостью ЦАП 7 при положительном выходном напряжении (2), для устранения которой к положительным мантиссам надо добавить единицу младшего разряда. Тогда получаем в случае положительных мантиссWN {|-4 11 иМН в результате чего соответствующие положительные и отрицательные значения на цифровом выходе синхронного фильтра также будут;отличаться по абсолютной величине в точнос ти вдвое.. Приведенные рассуждения показыв ют, а временная диаграмма (фиг.4) наглядно .иллюстрирует, что динамический диапазон вьщеляемых напряже НИИ синхронного фильтра определяет ся числом П разрядов характеристики, N , а максимальная относитель ная погрешность определяется количеством tn значащих разрядов мантиссы М и одинакова во всем диа пазоне. Если принять количество двоичных значащих разрядов мантиссы М flO, то единица младшего разр да 2, отнесенная ко всей шкале тО /, о-101„ о мантиссы, составляет 2°/1-2 2 (менее 0,1%). Диапазон значений входных напряжений, вьщеляемых с такой точностью, при таком же количестве разрядов характеристики (п 10) составляет 202 2(t54 дБ. Использование в цифровых коммутируемых накопителях представления их содержимого в форме с плавающей запятой обеспечивает высокую скорость установления содержимого коммутируемых накопителей, а следовательно, и выходного напряжения на аналоговом выходе синхронного фильтра. Вьше рассмотрена работа синхронного фильтра в предположении, что на его входе присутствует только полезный сигнал. Флюктуационные помехи, а также гармонические колебания, асинхронные частоте следования импульсов полезного входного сигнала, вызьшают колебания значений, выделенных в. аналоговом и в. цифровом выходах синхронного фильтра, относительно соответствующих значений входного сигнала. Эти колебания тем меньше, чем больше количество разрядов мантибсы и характеристики коммутируемых накопителей. При этом, есте- ственно, возрастает время накопления вьщеляемых значений входного сигнала, которое в предлагаемом синхронном фильтре, в отличие от известного, в принципе не ограничено. Таким образом, введение в известный синхронный фильтр последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя, управляемого аттенюатора, вычитателя и усилителя-ограничителя, а также использование вместо коммутирующих накопительных конденсаторов цифровых накопителей, коммутируемые выходы разрядов мантисс и характеристики которых соответственно через первый и второй селекторы подключаются к управляющим входам цифроаналогового преобразователя и дифроуправляемого аттенюатора, увеличивает точность вьщеления входного сигнала в широком диапазоне его измерений, обеспечивая тем самым повышение точности фильтрации.

cpaz. /

1. СИНХРОННЫЙ ФИЛЬТР, содержащий п идентичных коммутируемых накопителей и генератор импульсов, соответствующие вькоды которого подключены к входам соответствующего коммутируемого накопителя, о т л и чак)П1Ийся тем, что, с целью повьшения точности фильтрации, в него введены счетчик, два селектора, последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь, управляемый аттенюатор, вычитатель, второй вход которого является входом синхронного фильтра, и усилитель-ограничитель, выход которого соединен с управляющими входами коммутируемых накопителей, первые и вторые выходы которых подключены соответственно через первый селектор к управляющему входу цифроаналогового преобразователя и через второй селектор к управляющему входу управляемого аттенюатора, дополнительный выход генератора импульсов соединен с стробирующими входами селекторов и входом счетчика, выход которого соединен с управляющими входами селекторов, причем выход управляемого аттенюатора является аналоговым выходом синхронного фильтра, а выходы селекторов - цифровым выходом синхронного фильтра. 2. Фильтр ПОП.1, отличающийся тем, что коммутируемый накопитель содержит реверсивный счетI чик, комбинационный логический, блок (Л и дешифратор, причем первый и входы реверсивного счетчика являются соответствуюищми входами коммутируемого накопителя, выходы гп лладших разрядов реверсивного счетчика и старшего разряда являются первым выходом коммутируемого накопителя, выходы остальных ( младших разрядов реверсивного счетчика через комбинаци&э онный логический блок подключены к входам дешифратора, выход которого является вторым выходом коммутируемого накопителя, выход старшего разряда реверсивного счетчика соединен с управля5 щим входом комбинационного логического блока.

Г2

Фиг. 2

/J

t,KT t,jT

фг fyM OsjU}

Vui.J

UKT IJgJk xT) VSb,,() Vs,,,(UjT)

.

VjU-iT)

VtJt.nfl

Риг.4