Устройство для транспортирования спектров,начинающихся от нуля Советский патент 1986 года по МПК H03D7/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в системах связи.

Цель изобретения - упрощение устройства за счет совмещения функций балансного мбдулятора и фильтра нижних частот в одной группе блоков, достигаемого при определенном соотншении тактовой частоты и величины переноса.спектра.

На фиг, 1 показана структурная схема устройства; на фиг 2 - функциональная схема коммутатора; на фиг. 3 - функциональная схема инвертора кода; на фиг, 4 - пример реализации цифрового фильтра.

Устройство содержит (фиг, 1) последовательно соединенные входную шину 15 аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2 3 цифровой фильтр 3 и последовательно соединенные коммутатор 4, инвертор 5 кода, цифроанал говый преобразователь 6, полосовой фильтр 7 и выходную шину 8, а также генератор 9 тактовых импульсов, первый выход которого соединен с тактовыми входами аналого-цифрового преобразователя 2 и цифрового фильтра 3 и управляющим входом инвертора 5, а второй выход соединен с тактовым входом цифроаналогового преоб разователя 6 и управляющим входом коммутатора 4, Первый и второй выходы цифрового фильтра 3 соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора 4, Коммутатор 4 содержит -разряды по числу разрядов кoм yтиpyющeгo кода, каждьй из которых содержит (фиг, 2)0-триггер 10 С-вход которого является управляющим входом коммутатора, и элемент 2И-2Ш1И 11, у которого первые входы элементов И 12 и 13 являются соответственно первым и вторым входами разряда коммутатора, вторые входы соединены соответственно с прямым и инверсным выходами D-три гера 10, а выход элемента ИЛИ 14 является выходом коммутатора. Вход D -триггера 10 соединен с его инверсным выходом.

i Инвертор 5 кода содержит (фиг.З) 0-триггер 15, С-вход которого является управляющим входом инвертора 5, аD-вход соединен с инверсным выходом, п элементов ИСКЛЮЧА1СЩЕЕ Ш1И 16,1 - 16,п, первые входы которых образуют вход инвертора 5, вторые входы соединены с пряг фш вых

дом D-триггера 15, а выходы соединены с вторыми входами разрядов сумматора 17, выходы разрядов которого образуют выход инвертора 5, первые входы, кроме младшего разряда, соединены с шиной логического нуля, а первый вход младшего разряда соединен с прямым выходом О -триггера 15,

Генератор 9 тактовых импульсов имеет первый выход тактовой частоты и второй выход удвоенной тактовой частоты,

Цифровой фильтр 3 может быть выполнен, например, по схеме, показанной на фиг. 4, и представляет собой нерекурсивный симметричный цифровой фильтр четного порядка. На

фиг. 4 обозначены параллельный сдвиговый регистр 18, имеющий 2т+2 ячеек 18,1 - 18,(2т+2), вычитатели 19.0 - 19,т, первые входы которых соединены соответственно с выходами ячеек

18(т+1) - 18,1 регистра 18, а вторые выходы - с выходами соответственно ячеек 18„(т+2) - 18.(2m+2) регистра 18, а выходы через умножители 20.0 - 20.m на постоянный коэффициент соединены с входами сумматора 21, Первым выходом цифрового фильтра 3 является выход ячейки 18.(m+2) регистра 18, а вторым выходом - выход сумматора 21. Тактовьй вход цифрового фильтра 3 соединен с тактовыми входами всех ячеек регистра 18.

Устройство (фиг. 1) функционирует следующим образом.

Исходный аналоговый сигнал занимает полосу частот от О до F. Он дискретизируется .по времени с тактовой частотой F.2,5Fg и квантуется по амплитуде с помощью многоразрядного квантователя, входящего в состав АЦП 2.

Квантованные отсчеты с выхода АЦП записываются в первую ячейку параллельного регистра 18 сдвига длины 2(т+1), имеющего центр симметрии на границе ячеек 18.(т+1)-й

и 18.(т+2)-й.

Полученные в вычислителях 19.0 - 19.m разности поступают на входы умножителей 20.0 - 20.2,...,20.т, где происходит их умножение на заданные постоянные коэффициенты; коэффициент умножения 20,k равен

: J

2К+1

W

коэффициент

3

.оптимального окна Кайзера. Все полученные произведения складываются в сумматоре 21 и поступают на второй выход цифрового фильтра. Отсчеты с прямого входа вычитателя 1.9.0 (выход ячейки с номером т+2) параллельно поступают на первый выход цифрового фильтра 3. Запись и считывание кодов в ячейках регистра 18 управляются тактовыми импульсами частоты F.

Коммутатор 4 (фиг.1), работающий с частотой 2F, производит временное уплотнение двух последовательностей отсчетов в единую цифровую последовательность с тактовой частотой 2Р поочередно передавая на свой вькод сигналы с первого или второго входа

Объединенная последовательность параллельных кодов, имеющая тактовую частоту 2F, с выхода коммутатора 4 (фиг. 2) поступает на вход инвертора 5, где происходит попеременное инвертирование кодов, равносильное умножению представляемых ими чисел на последовательность:.. . + 1 , ,-1, -1, +1, +1, -1, -1 ....

При поступлении очередного импульса из серии с частотой F на С-вход триггера 15 на его прямом выходе действует сигнал логического О. В этом случае на выходе каждого из элементов 16.1 - 16.п сигнал равен сигналу на его входе. Эти входные сигналы далее не изменяются и в сумматоре 17, поскольку на всех первых входах разрядов сумматора, включая младший, сигнал равен нулю. Таким образом, в два последовательные такта с частотой 2F код передается без изменений.

Следующий импульс из серии F перебрасывает триггер 15, и на всех вторых входах элементов 16.1 - 16.п -появляется сигнал логической 1. Поэтому выходы элементов 16.1-16.П образуют код, инверсный тому, который действовал на входе. Этот код складывается в сумматоре 17 с кодом 0...01, поскольку на первом входе младшего разряда действует ей:- нал логической 1, а на первых входах остальных разрядов сигнал по-прежнему равен 0. После этого на выходе сумматора 17 присутствует натуральный код, полученный из входного кода операцией инвертирования.

10

15

20

052504

Такое преобразование повторяется в два последовательных тактовых момента частоты 2F, после чего инвертор кода возвращается в исходное 5 состояние.

Цифровой сигнал (последовательность натуральных кодов) на выходе инвертора 5 кода (фиг. 1) поступает на вход цифроаналогового преобразователя 6, работающего с тактовой частотой 2F: , и далее подвергается фильтрации с помощью полосового фильтра 7. На его выходе действует аналоговый сигнал с полосой частот от 0,25 Fg до 1,25Fg, спектр которого получен транспонированием (прямым сдвигом) исходного рпектра.

Последнее утверждение может быть доказано следующим образом.

На вход устройства транспонирования поступает аналоговый сигнал x(t), занимающий полосу частот от нуля до Fg.

Первая операция, которую необхо- 25 димо проделать с полученным сигналом, -.аналого-цифровое преобразование с тактовой частотой и большим числом разрядов квантования L (порядка 10-12).

Как видно из дальнейшего, тактовая частота F должна иметь вид kFg, где k - целое и таким образом, F.J 5Fg - наименьшее допустимое з,на- чение К.

Вторая (идеальная) операция состо- ит в переносе спектра кодированного сигнала по оси частот; она заключается в умножении сигнала, полученного на выходе АЦП, на отсчеты функции , где (Оц 2 irF - несущая частота.

Выбираем Fj, 1,25Fg гЕ .

Тогда Z x cosu kT x cos2irF kT k7

30

35

40

гр

-для четных k, т.е. ,

-для нечетных k, т.е. .

Таким образом, отсчеты с нечетными номерами обращаются в ноль. Эт является следствием того, что несущая частота выбрана равной тЕ.

Последняя (идеальная) операция состоит в фильтрации сигнала с мощью цифрового ФНЧ с частотой

среза, в точности равной F , и с идеальной ФЧХ, т.е. с помощью симметричного нерекурсивного фильтра.

Операция фильтрации при эТих требованиях аналитически может быть записана в следующем виде:

1)

где h - коэффициенты цифрового

фильтра, являющиеся коэффициентами импульсной характеристики, причем Частота среза цифрового фильтра должна быть равной несущей частоте F| или 1,25Fg , так как необходимо выделить левую боковую полосу из полученного после переноса двухполосного сигнала.

Выражение для импульсной характеристики идеального прямоугольного фильтра низких частот имеет вид:

b(t)

где Ufp - частота среза .

Для цифрового фильтра. /ч .i, / ,i22|LE P EI 2

(pT)

,„ рТ

1 2Р

вина коэффициентов h обращается в О, что связано со специальным выбором частоты среза F, F(j 1,25Fg 2fF .

Однако простое усечение суммы (1) приводит JC явлению Гиббса, которое проявляется в виде выбросов и пульсаций определенного уровня до и после точки разрыва в частотной характеристике. Так, например, для идеального фильтра нижних частот максимальная амплитуда Пульсаций частотной характеристики составляет около 9% и не уменьшается с увеличением длины импульсной характеристики, т.е. учет все большего числа коэффициентов не приводит к уменьшению максимальной амплитуды пульсаций.

Лучшие результаты дает метод, основанный на использовании весовой последовательности конечной длины W.5 называемой окном. Обозначим че2052.506

рез W(e )преобразование Фурье этой весовой последовательности. Для известных окон спектр-У(е ) имеет главный лепесток, содержащий 5 почти всю энергию окна, и боковые лепестки, которые быстро затухают. Формируется последовательность в точности равная нулю за

10

15

,

пределами интервала -MspfM.

В предлагаемом устройстве используется окно Кайзера, оптимальное в том смысле, что при данном М оно обеспечивает минимальные пульсации АЧХ в полосе прозрачности и наибольшее затухание вне полосы.

Можно записать

м

i

hpZ,.,j,, где ,

20

а Wp - коэффициенты окна Кайзера, определяемые по формуле

(P

F

)/Io(|5)

(2)

5

где

0

5

0

Ijj(Z) - функция Бесселя нулевого

порядка:

1 - константа, определяющая компромисс между максимальным уровнем боковых лепестков и шириной глай- ного лепестка. Итак,

h,1;

-для четных

.(Л(/0);

-для нечет- флк р 2/ч+1) .

Следует учесть, что h hp. ОбоК ot

значим COSJ-C (подробнее): С,„ (-1)

h -

2, (2;и+Щ 2(1IH

ЬрХ,.рСк.р

С,,,,0,, тогда

кС ,-t-г-hp(x,. р С.р+х,|, С,, р )х,

1- h

|U o

Ск-2|„-, ),,

5

I,x,(-1)

об

Т.е.

tl (х кгде . . Если , то

) .

Если )i+1, то , (-2.-2ju(.2,..2(-l) )

i)

21 hoj-i. ju.o zju-t-i

(-1)

ОС

л)2«t- (,+2|u+5

5

,.„ h н(-1Г(х -(-1) f: yiat (x -X )

ir jiTo 2|UH Zot-Zp 2.,

в формуле для I, т.е. .сигнала на выходе устройства, не участвуют х при нечетных К. Из этого следует, что можно взять ,5F9.

Обозначим отсчеты сигнала x(t), взятые с тактовой частотой F через X

Х(КТ )

X

- V--. у.) очевидно, .. ..j Таким образом, в связи со специальным выбором несущей частоты F 1,25F и частота среза Р„ „ удается вдвое понизить тактовую частоту устройства. При этом функции идеального балансного модулятора и цифрового фильтра перестают разделяться, а вместо них возникает новое единое линейное устройство транспонирования спектра (УТС), работающее с тактовой частотой 2,5F .

Окончательно, выражение цифрового сигнала мает вид:

1 на выходе УТС приниСопоставление данного устройства с прототипом при выполнении одинаковых функций показывает, что описываемое устройство имеет объем оборудования в 1,6 раза меньше, чем прототип, за счет совмещения выпол- .нения операций.

Формула изобретения

1. Устройство для транспортирования спектров, начинающихся от нуля, включающее аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом устройства, цифровой фильтр, цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с входом полосового фильтра, выход которого является выходом устройства, и генератор тактовых импульсов, первый выход которого соединен с тактовыми входами аналого-цифрового преобразователя и цифрового фильтра, а второй, выход - с тактовым входом цифроаналогового преобразователя, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства, в него введены коммутатор и инвертор кода, причем выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу ЦИфрО-

вого фильтра, первый и второй выходы

2052508

которого соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора, выход которого соединен с входом инвертора кода, выход которого соеди- 5 нек с входом цифроаналогового преобразователя, при этом управляющие входы коммутатора и инвертора кода соединены соответственно с вторым и первым выходами генератора такто10 вых импульсов.

2. Устройство по п. 1, о т л и- .чающееся тем, что коммутатор имеет число разрядов по числу разрядов коммутируемого кода, а каждый

15 разряд коммутатора содержитD -триггер, С -вход которого является управляющим входом разряда коммутатора, и элемент 2И-ИЛИ, первые входы каждого из элементов И которого являют20 ся первым и вторым входами разряда коммутатора, а выход элемента ИЛИ - его выходом, причем прямой и инверс- ньй выходы триггера соединены с вторыми входами упомянутых элементов И,

25 а инверсный выход триггера соединен с его Б-входом.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что инвертор кода содержит D-триггер, С-вход которого является управляющим входом инвертора кода, элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ по числу разрядов инвертируек ого кода, первые входы которых являются входом инвертора кода, и многоразрядный сумматор соответствующей разрядности, выход разрядов которого, кроме выхода переноса, образуют выход инвертора кода, причем инверс- ньй выход триггера соединен с его Х -входом, а прямой выход триггера /подключен к вторым входам элементов ИСЮ1ЮЧАНХЦЕЕ ИЛИ и к первому входу младшего разряда многоразрядного сумматора, первые входы остальных разрядов многоразрядного сумматора подключены к шине логического О, а вторые входы всех разрядов многоразрядного сумматора, включая младший, соединен : с выходами элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в системах связи. Целью изобретения является упрощение устройства, что достигается совмещением функций балансного модулятора и фильтра низких частот в одной группе блоков в результате введения в известное устройство коммутатора и инвертора кода, а также выбора определенного соотношения тактовой частоты и величины переноса спектра. Функциональная схема коммутатора и инвертора кода, а также структурная схема устройства приведены в описании изобретения с математическим обоснованием режимов функционирования входящих в них блоков. 2 з.п.ф-лы. 4 ил. с 15

FT

1

пя-Гй

Т

1 д, jt,- X j, X 11 1 1 -I -t. («.I.. JjiSW... № /W 45 J№ 4..feW4..te

И1 ри1ы « 41« дв ИД ИИМиАи«а1И ии|д и иияИ ид ц| i -J fP rli пин r/nnn «- ii

Фи&.2

17

1

с Фи.г.3

Hi.4

ВНИИПИ Заказ 8537/56 Тираж 871 Подписное Филиал ППП Патент, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Т

Т