704_Mikushin_A.V._Skhemotekhnika_mobil'nykh_radiostantsij_
.pdf
Рисунок 3.11. Условно-графическое обозначение многоразрядного масочного постоянного запоминающего устройства
В реальных схемах ПЗУ запись информации производится при помощи последней операции производства микросхемы – металлизации. Металлизация производится при помощи маски, поэтому такие ПЗУ получили название масочных ПЗУ.
Еще одно отличие реальных микросхем от упрощенной модели, приведенной выше – это применение в качестве дешифратора адреса кроме мультиплексора еще и демультиплексора. Такое решение позволяет превратить одномерную запоминающую структуру в двухмерную и, тем самым, существенно сократить объём схемы дешифратора адреса ПЗУ. Реализация двухмерного ПЗУ приведена на рисунке 3.12.
Рисунок 3.12. Схема масочного постоянного запоминающего устройства
221
Программирование масочного ПЗУ производится на заводе изготовителе, что очень неудобно для мелких и средних серий производства, не говоря уже о стадии разработки устройства. Естественно, что для крупносерийного производства масочные ПЗУ являются самым дешевым видом ПЗУ, и поэтому широко применяются до настоящего времени.
ПЗУ с записанной в нём таблицей синуса относится к таким схемам. Поэтому такие ПЗУ широко распространены в настоящее время. Еще чаще эти ПЗУ встречаются в составе микросхем, предназначенных для цифровой обработки сигналов – сигнальных процессорах и микросхемах прямого цифрового синтеза (DDS).
3.1.2. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи
Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи являются неотъемлемыми частями современных систем мобильной радиосвязи, т.к. большая часть обработки сигналов в настоящее время осуществляется в цифровом виде. Рассматривать работу этих устройств в отдельности от структурной схемы цифрового устройства обработки сигналов не представляет возможности.
Структурная схема цифрового устройства обработки сигнала
По теореме Котельникова предполагается, что сигнал на входе АЦП должен быть ограничен по частоте. Однако реальные сигналы обладают спектром, распространяющимся до бесконечности. Поэтому, прежде чем подвергнуться аналого-цифровому преобразованию, непрерывный сигнал проходит через схему аналоговой обработки, которая выполняет такие функции, как усиление (или ослабление) сигнала и частотная фильтрация.
Для подавления мешающих сигналов за пределами интересующей полосы частот и предотвращения наложения спектров при дискретизации аналогового сигнала необходим фильтр низкой частоты или полосовой фильтр. Обобщенная структурная схема устройства ЦОС представлена на рисунке 3.14.
Рисунок 3.14. Структурная схема цифрового устройства
222
На этом рисунке показана система, работающая в реальном масштабе времени. В ней устройство выборки и хранения (дискретизатор) непрерывно стробирует сигнал с частотой, равной fs, и АЦП выдает новый отсчет сигнала процессору ЦОС (DSP). Для обеспечения работы в реальном масштабе времени сигнальный процессор должен закончить все вычисления в пределах интервала дискретизации 1/fs и передать выходной отсчет на ЦАП до поступления следующего отсчета с АЦП. В качестве примера устройства цифровой обработки сигнала может выступать цифровой фильтр.
Возможна другая реализация устройств реального времени. При реализации на сигнальном процессоре алгоритма БПФ, входной блок данных целиком загружается в память этого процессора. Для обеспечения работы устройства в реальном масштабе времени пока сигнальный процессор выполняет алгоритм БПФ над ранее полученным блоком данных, новый блок данных накапливается в памяти. Сигнальный процессор должен успеть вычислить спектр в течение интервала накопления блока данных, чтобы быть готовым к процессу обработки следующего блока данных.
Обратите внимание, что ЦАП требуется только в том случае, когда данные необходимо преобразовать обратно в аналоговый сигнал (например, при обработке изображения или звука). Есть много устройств, где после первоначального аналого-цифрового преобразования сигнал остается в цифровом формате. Кроме того существуют устройства в которых сигнальный процессор предназначен исключительно для формирования сигнала, подаваемого на ЦАП такие как генераторы прямого цифрового синтеза (DDS). Если в устройстве используется ЦАП, то на его выходе для подавления нежелательных составляющих выходного спектра необходимо применять формирующий фильтр (anti-imaging filter).
В процессах аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования есть два ключевых этапа: дискретизация (квантование по времени) и квантование по амплитуде, которые определяют разрешающую способность данных операций. Понимание этих моментов является основополагающим фактором в оценке приложений ЦОС.
Квантование аналогового сигнала по времени
Концепции квантования по времени и амплитуде аналогового сигнала приведены на рисунке 3.14. Дискретизация непрерывных аналоговых данных должна осуществляться с интервалом времени ts=1/fs, который должен быть тщательно выбран для гарантированно точного представления первоначального аналогового сигнала. Ясно, что чем больше будет взято отсчетов на интервале времени (больше частота дискретизации), тем более точным будет представление сигнала в цифровом виде, а при уменьшении количества отсчетов (уменьшении частоты дискретизации) может быть достигнута точка, где сигнал может быть потерян. Это следует из известного критерия Найквиста, показанного на рисунке 3.15.
223
КРИТЕРИИ ДИСКРЕТИЗАЦИИ ПО КОТЕЛЬНИКОВУ
Частота дискретизации fд сигнала с шириной полосы fa должна удовлетворять условию fд > 2 fa, в противном случае
информация о сигнале будет потеряна
Эффект наложения спектров возникает, когда fд < 2 fa
Эффект наложения спектров широко используются в таких задачах, как прямое преобразование ПЧ в цифровую форму
Рисунок 3.15. Критерии Найквиста
Очевидно, что чем больше будет взято отсчетов аналогового сигнала на интервале времени (больше выбранная частота дискретизации), тем более точным будет представление этого сигнала в цифровом виде. При уменьшении количества отсчетов в единицу времени (уменьшении частоты дискретизации) можно достигнуть предела, после которого преобразованный в цифровую форму сигнал будет искажен до такой степени, что будет невозможно восстановить его в первоначальном виде.
Иными словами, в соответствии с теоремой Котельникова требуется, чтобы частота дискретизации аналогового сигнала была, по крайней мере, вдвое больше полосы полезного сигнала, иначе информация об исходном виде аналогового сигнала будет потеряна. Если выбрать частоту дискретизации меньше (а в большинстве практических устройства и равной) удвоенной полосы частот преобразуемого аналогового сигнала, то возникает эффект, известный как наложение спектра (aliasing).
Обычно анализ аналоговых цепей производится при помощи синусоидального сигнала. На нем проще понять физический смысл явлений, возникающих в исследуемом блоке. Так как дискретизатор является аналоговым устройством, то воспользуемся этим методом и мы. Для понимания физического смысла наложения спектра, рассмотрим эффекты, возникающие при дискретизации синусоидального сигнала. Эти эффекты мы проанализируем, как во временном, так и в частотном представлении исследуемого сигнала.
В качестве примера, иллюстрирующего эффект наложения спектра (заворота спектра), на рисунке 3.16 приведена временная диаграмма синусоидального сигнала, дискретизированного по времени идеальным дискретизатором. На нем же показано, что по одним и тем же дискретным отсчетам сигнала можно провести различные синусоиды.
224
Рисунок 3.16. Эффект наложения спектров во временной области
В приведенном на этом рисунке примере, частота дискретизации fд выбрана лишь ненамного выше частоты входного аналогового сигнала fв. То есть мы нарушили теорему Котельникова! Обратите внимание, что в результате дискретизации, мы получили отсчеты сигнала, частота которого равна разности частот дискретизации и исходного сигнала fд – fa. То есть мы наблюдаем низкочастотный образ реального сигнала. Этот эффект известен в технике как стробоскопический эффект.
На рисунке 3.17 показан спектр сигнала, приведенного на рисунке 3.16. На этом рисунке четко видно, что на выходе идеального дискретизатора появляется не только низкочастотная составляющая с частотой fд – fa, но и fд + fa, 2×fд – fa, 2×fд + fa и т.д.
Рисунок 3.17. Спектр дискретизированного аналогового сигнала
225
В частотном спектре на выходе дискретизатора просматриваются гармоники частоты дискретизации fд, промодулированные исходным сигналом, то есть появляются образы сигнала на частотах, равных |±Kfд ± fa|, где K = 1, 2, 3, 4, ...
Полоса сигнала по Котельникову определяется как спектр от постоянного тока до fд/2. Частотный спектр разделен на бесконечное число зон Найквиста, каждая по 0,5 fд. На практике идеальный дискретизатор перемещает все образы в полосу от 0 до fд/2 и накладывает их на сигнал в первой зоне Котельникова.
Такой процесс подобен работе аналогового смесителя. Это означает, что перед дискретизатором требуется фильтрация, подавляющая компоненты, частоты которых находятся вне полосы Котельникова и после дискретизации попадают в ее пределы. Рабочая характеристика фильтра будет зависеть от того, как близко частота внеполосного сигнала отстоит от fд/2, а также величиной требуемого подавления.
Погрешности дискретизатора
До сих пор предполагалось, что квантование по времени производится дельта импульсами. Однако это математическая абстракция. Обычно ключ дискретизатора открывается на определённое время, достаточное для запоминания аналогового сигнала на конденсаторе (даже если этот конденсатор паразитный). Теперь образы сигнала уже нельзя считать распространяющимися до бесконечности. Такая цепь обычно называется интегрирующей и её импульсная характеристика приведена на рисунке 3.18.
Рисунок 3.18. Нарастание напряжения на входе дискретизатора при открывании ключа
226
Рисунок 3.19. Амплитудно-частотная характеристика дискретизатора
Именно эта характеристика определяет время открывания ключа дискретизатора, достаточное для установления напряжения, меньшего половины младшего разряда АЦП. Такой режим работы дискретизатора называется режимом слежения. Частотная характеристика этой цепи приведена на рисунке 3.19.
Теперь образы сигналов не будут распространяться до бесконечности. Амплитуда образа будет зависеть от частотной характеристики цепи заряда конденсатора. На рисунках 3.18 и 3.19 приведена частотная характеристика простейшей цепи заряда. Однако на высоких частотах необходимо учитывать переходный процесс более сложных цепей, таких как индуктивность проводников корпуса, влияние входных и выходных ёмкостей усилителей. В результате переходная характеристика становится более сложной. В соответствии с ней изменится и ёё частотная характеристика. Пример импульсной и частотной характеристик такой цепи приведён на рисунках 3.20 и 3.21.
227
Рисунок 3.20. Пример импульсной характеристики цепи
Рисунок 3.21. Пример частотной характеристики цепи
228
Кроме частотных характеристик, на точность преобразования аналогового сигнала в цифровую форму существенное значение имеет точность временного положения импульса дискретизации. В реальных схемах для дискретизации аналогового сигнала используются генераторы сигналов с конечной длительностью фронтов. Временное положение фронтов сигнала зависит от стабильности генераторов сигнала, порога срабатывания логических схем и уровня помех на шинах питания и заземления микросхем.
Вдискретизаторах, работающих в режиме слежения, временное положение, при котором считывается аналоговый сигнал определяется задним фронтом стробирующего импульса. Время открывания ключа зависит от постоянной времени паразитных элементов схемы. Всё это приводит к ограничению полосы частот сигнала, преобразуемого в цифровую форму.
Вкачестве альтернативного режима работы дискретизатора предлагается интегрирующий режим работы. В этом режиме работы используется начальный участок переходной характеристики схемы. На этом участке напряжение на выходе линейно растёт при подаче на вход постоянного напряжения, то есть осуществляется интегрирование входного сигнала. При этом напряжение на конденсаторе после окончания стробирующего импульса будет пропорционально энергии входного сигнала, длительности и формы стробирующего импульса. Длительность и форма стробирующего сигнала может быть при этом учтена как константа. Уменьшение напряжения по сравнению с режимом слежения может быть скомпенсировано дополнительным усилителем на входе АЦП. Основное преимущество такого режима работы заключается в усреднении влияния переднего и заднего фронта, то есть большая верность преобразования сигнала. Кроме того уменьшается время стробирования, т.к. используется только начальный участок переходной характеристики схемы.
Фильтры для устранения эффекта наложения спектров (Антиалайзинговые фильтры).
Говоря о дискретизации низкочастотного сигнала (огибающей сигнала или видеосигнале) подразумевают, что подлежащий дискретизации сигнал лежит в первой зоне Найквиста. Важно обратить внимание на то, что без фильтрации на входе идеального дискретизатора любой частотный компонент (сигнал или шум), который находится за пределами "полосы Найквиста", в любой зоне Найквиста будет создавать НЧ-образ в первой зоне Найквиста. Поэтому на входе АЦП для подавления мешающих сигналов используется ФНЧ.
Важно правильно определить характеристики ограничивающего спектр фильтра. Первым шагом является получение характеристик сигнала, подлежащего дискретизации. Предположим что, когда наивысшая из интересующих нас частот равна fa. Тогда фильтр должен пропускать сигналы, лежащие в полосе частот от 0 до fa, и подавлять сигналы с частотой выше fa.
Предположим, что частота среза фильтра равна fa.
229
Рисунок 2.133. Влияние частоты дискретизации на требования к аналоговому фильтру
На рисунке 2.133а показан эффект возникновения помехи, обусловленной отображением сигнала из второй зоны Найквиста в первую. Именно эта помеха определяет динамический диапазон системы DR. В приведённом примере составляющие спектра, которые попадают в диапазон между fa и fs/2, не представляют интереса и не ограничивают динамический диапазон системы. Необходимо отметить, что в ряде источников этот эффект называется эффектом "заворота спектра".
Таким образом крутизна АЧХ определяется верхней частотой сигнала fa, началом полосы задерживания fs – fa и требуемым затуханием в полосе задерживания DR. Динамический диапазон системы выбирается исходя из требований точности представления сигнала.
При всех прочих равных условиях фильтры становятся более сложными по мере того, как увеличивается крутизна АЧХ. Например, фильтр Баттерворта дает ослабление 6 дБ на октаву для каждого порядка. Для достижения ослабления 60 дБ на частоте 2 МГц при полосе сигнала 1 МГц (1 октава) требуется как минимум фильтр 10-го порядка – это фильтр, весьма трудный в разработке и дорогой в производстве.
230