Цифровое устройство для адаптивной коррекции квадратурных демодуляторов
Изобретение может быть использовано в радиотехнических устройствах и системах, содержащих радиокомпоненты с аналоговыми и цифровыми сигналами. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства, заключающееся в идентификации дополнительных параметров и повышении оперативности адаптивной коррекции динамических характеристик радиоканалов с цифровыми фазовыми модуляторами. Для этого устройство содержит генератор прямоугольных импульсов, счетчик, блок индикации, прецизионный генератор квадратурных гармонических сигналов эталонной опорной частоты, формирователь импульсов, цифровой блок регулирования фазы синхронизации, а также два буферных регистра, два цифровых БИХ-фильтра второго порядка, два арифметических сумматора-вычитателя, два цифровых сумматора-накопителя, два мультиплексора временного разделения и микропроцессорный комплект с входными и выходными регистрами данных, блоком обработки данных, блоком микропрограммного управления и генератором синхроимпульсов. Цифровые БИХ-фильтры реализованы по схеме конвейерного типа. 3 ил.
Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может найти применение для адаптивной коррекции параметров динамических характеристик сложных нелинейных и нестационарных радиотехнических устройств и систем, содержащих радиокомпоненты как с аналоговыми, так и с цифровыми сигналами, например квадратурный демодулятор с АЦП на выходе, который широко используется в радиолокационных системах, пеленгаторах и гидролокационных системах с фазированными антенными решетками.
Известны способ и устройства для измерения и коррекции цифровыми методами синфазного и квадратурного радиотехнического канала [1, 2, 3, 4]. При нестабильности динамических характеристик радиолокационных станций, например АЧХ и ФЧХ, в цифровое устройство доплеровской обработки квадратурных импульсных видеосигналов [5], содержащее блоки прямого дискретного преобразования Фурье ДПФ (БПФ) и блок обратного дискретного преобразования Фурье ОДПФ (ОБПФ), дополнительно вводили блок цифрового формирования однополосного импульсного видеосигнала ЦФОИВС, содержащий внеполосный фазовращатель на угол 90o или 270o. ЦФОИВС формирует спектр однополосного сигнала только в пределах одного частотного интервала 0-Fп, тогда как остальная часть спектра остается двухполосной (Fп - частота повторения). Это устройство позволяет корректировать искажения, обуславливаемые не только передатчиком, но и вносимые передающей и приемной антеннами, а также цепями приемника. В этом случае для вычисления корректирующих сигналов необходимо найти подходящий внешний по отношению к РЛС источник опорного сигнала. Такой подход используется в РЛС COBRA DANE, работающей с широкополосным 200-МГц сигналом. Для формирования опорного сигнала служил созданный в Линкольновской лаборатории спутниковый комбинированный отражатель в виде сферы с ЭПО, равной 1 м2. Отраженный от сферы сигнал преобразуется в цифровую форму и обрабатывается процессором БПФ для вычисления корректирующих коэффициентов для КИХ-фильтра сжатия импульсов. Микропроцессор реализует автоматическую процедуру подстройки амплитудной и фазовой характеристик одного из квадратурных каналов относительно другого. К недостаткам этих устройств относится сложность алгоритма коррекции импульсной переходной функции адаптивного цифрового фильтра, что неизбежно снижает точность и быстродействие. Близким техническим решением к предлагаемому является цифровой измеритель сдвига фаз [6], содержащий объект исследования - квадратурный демодулятор, два аналого-цифровых преобразователя, два сумматора-вычитателя, два сумматора-накопителя, два блока управления нелинейной фильтрацией, счетчики, вычислительный блок и блок индикации. Синхронизация всех блоков, кроме микропроцессорного вычислительного блока, осуществляется от прецизионного кварцевого генератора тактовых сигналов АЦП. Недостаток этого устройства состоит в ограничении числа идентифицируемых параметров квадратурного демодулятора. Помимо этого, при обнаружении неадекватности радиотехнических каналов квадратурного демодулятора оно не позволяло выполнить оперативную адаптивную коррекцию их динамических характеристик. Наиболее близко к предлагаемому устройство для определения взаимокорреляционных функций переходных характеристик квадратурного демодулятора [7], содержащее генератор прямоугольных импульсов, счетчик, блок индикации, прецизионный генератор квадратурных гармонических сигналов эталонной опорной частоты, формирователь импульсов, цифровой блок регулирования фазы синхронизации, выход которого соединен с входом задания фазы генератора прямоугольных импульсов, выход которого через ключ подключен на сигнальный информационный вход квадратурного демодулятора, являющегося объектом параметрической идентификации и адаптивной коррекции, выход первой фазы эталонного сигнала опорной частоты генератора гармонических сигналов соединен через формирователь импульсов с информационным входом счетчика и первым синфазным входом исследуемого квадратурного демодулятора, второй вход которого соединен с ортогональным выходом эталонного генератора гармонических сигналов, выход переполнения счетчика соединен с информационным входом цифрового блока регулирования фазы синхронизации. К недостаткам этого устройства можно отнести ограничения по применению результатов измерения непосредственно для адаптивной цифровой коррекции характеристик квадратурного демодулятора в реальном масштабе времени. Настоящее изобретение направлено на расширение функциональных возможностей устройства. Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, состоит в идентификации трех дополнительных обобщенных параметров, таких как коэффициент передачи, полоса низкочастотной фильтрации и наклон ФЧХ, и повышении оперативности адаптивной коррекции динамических характеристик радиоканалов с цифровыми квадратурными модуляторами. Это достигается тем, что в известное устройство, содержащее генератор прямоугольных импульсов, счетчик, блок индикации, генератор гармонических сигналов эталонной опорной частоты, формирователь импульсов, цифровой блок регулирования фазы синхронизации, выход которого соединен с входом запуска генератора прямоугольных импульсов, выход которого через ключ подключен к сигнальному информационному входу квадратурного демодулятора, являющегося объектом адаптивной коррекции параметров, первый выход генератора гармонических сигналов соединен с первым синфазным входом квадратурного демодулятора и через формирователь импульсов с информационным входом счетчика, второй выход генератора гармонических сигналов соединен со вторым ортогональным входом квадратурного демодулятора, выход переполнения счетчика соединен с информационным входом цифрового блока регулирования фазы синхронизации, введены два буферных регистра, информационные входы которых являются измерительными входами для подключения к соответствующим выходам квадратурного демодулятора (АЦП), два цифровых БИХ-фильтра второго порядка, подключенные информационными входами в параллельном коде к выходам первого и второго буферного регистра соответственно, два арифметических суматора-вычитателя, два цифровых сумматора-накопителя, два мультиплексора временного разделения, входами подключенные к первому, второму и третьему выходу соответствующих цифровых БИХ-фильтров, а выходами к первому и второму входам соответствующих арифметических сумматоров-вычитателей, выходы которых подключены к входам первого и второго цифрового сумматора-накопителя соответственно, микропроцессорный комплект, содержащий входные и выходные регистры данных, блок обработки данных (БОД), блок микропрограммного управления (МПУ) и генератор синхроимпульсов (ГСИ), причем первый и второй входные регистры данных подключены к выходам соответствующих цифровых сумматоров-накопителей, первый управляющий выход микропроцессорного комплекта соединен с задающим входом цифрового блока регулирования фазы синхронизации, а второй управляющий выход микропроцессорного комплекта соединен через цифровой блок регулирования фазы синхронизации с входом запуска генератора прямоугольных импульсов, выход формирователя импульсов соединен с входом синхронизации микропроцессорного комплекта, выход общей синхронизации которого соединен с соответствующими входами синхронизации буферных регистров, БИХ-фильтров, мультиплексоров, арифметических сумматоров-вычитателей и цифровых сумматоров-накопителей, соединенных последовательно в параллельном коде по схеме конвейерного типа, третий, четвертый и пятый управляющие выходы микропроцессорного комплекта соединены с первым, вторым и третьим корректирующими входами первого цифрового БИХ-фильтра, а шестой, седьмой и восьмой управляющие выходы микропроцессорного комплекта соединены с соответствующими корректирующими входами второго цифрового БИХ-фильтра, четвертые выходы первого и второго цифрового БИХ-фильтра являются скорректированными выходами квадратурного демодулятора, первый, второй и третий регистры выходных данных микропроцессорного комплекта подключены к блоку индикации, управляющий вход которого соединен с девятым управляющим выходом микропроцессорного комплекта. При этом цифровые БИХ-фильтры второго порядка реализованы по схеме конвейерного типа и содержат в прямой цепи первый арифметический блок умножения, первый вход которого является информационным входом цифрового БИХ-фильтра, первый арифметический сумматор-вычитатель, втрой арифметический блок умножения, первый цифровой сумматор-накопитель, третий арифметический блок умножения и второй цифровой сумматор-накопитель, включенные последовательно в параллельном коде, причем выходы второго и первого цифрового сумматора-накопителя и первого арифметического сумматора-вычитателя являются соответственно первым, вторым и третьим выходом цифрового БИХ-фильтра, в обратной связи которого включен второй арифметический сумматор-вычитатель, подключенный входами к первому и второму выходам цифрового БИХ-фильтра, а выходом к второму входу первого арифметического сумматора-вычитателя, первый выход цифрового БИХ-фильтра соединен с первым входом третьего арифметического сумматора-вычитателя, ко второму входу которого подключен через четвертый арифметический блок умножения и четвертый арифметический сумматор-вычитатель второй выход цифрового БИХ-фильтра, третий выход которого через пятый арифметический блок умножения подключен к второму входу четвертого арифметического сумматора-вычитателя, причем вторые входы первого, четвертого и пятого арифметических блоков умножения являются первым, вторым и третьим корректирующими входами цифрового БИХ-фильтра соответственно и подключены к соответствующим управляющим выходам микропроцессорного комплекта, а выход третьего арифметического сумматора-вычитателя каждого цифрового БИХ-фильтра является соответствующим выходом квадратурного демодулятора. На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 - схема цифрового БИХ-фильтра; на фиг.3 - экспериментальные результаты исследования погрешности БКД при оценке фазы радиоимпульса в случае параметрических возмущений и оперативной адаптивной коррекции. Цифровое устройство для адаптивной коррекции квадратурных демодуляторов (фиг.1) содержит генератор 1 гармонических сигналов (термостабилизированный, кварцевый, опорной частоты), сдвинутых на 90o (эталонный генератор), формирователь импульсов синхронизации 2, счетчик 3, генератор прямоугольных импульсов 4, ключ 5, блок квадратурного демодулятора 6 (радиотехнический объект), содержащий два аналого-цифровых преобразователя (АЦП) 8, 9 сигналов на соответствующих выходах аналоговых НЧ-фильтров в цифровую форму, цифровой блок регулирования фазы синхронизации 7, два буферных регистра 10, 11, информационные входы которых являются измерительными входами для подключения соответствующих выходов квадратурного демодулятора (АЦП), два мультиплексора с временным разделением коммутируемых каналов 12 и 13, два цифровых БИХ-фильтра второго порядка 14 и 15, два арифметических сумматора-вычитателя 16 и 17, два арифметических сумматора-накопителя 18 и 19, микропроцессорный комплект 20, содержащий входные и выходные регистры данных, блок обработки данных (БОД), устройство микропрограммного управления (МПУ) и генератор синхроимпульсов (ГСИ), который синхронизирует работу МПУ, БОД, регистров, мультиплексоров с временным разделением, и блок индикации 21. Устройство микропрограммного управления работает в конвейерном режиме, что позволяет повысить быстродействие за счет параллельной организации работы буферных регистров 10, 11, цифровых БИХ-фильтров 14 и 15, мультиплексоров 12, 13, арифметических сумматоров-вычитателей 16, 17, цифровых сумматоров-накопителей 18, 19 и микропроцессорного комплекта 20. Каждый цифровой БИХ-фильтр 14 и 15 (фиг.2) содержит первый 22, второй 23 и третий 24 арифметические блоки умножения, четыре арифметических сумматора-вычитателя 25, 26, 27 и 28 и два цифровых сумматора-накопителя 29, 30, а также четвертый 31 и пятый 32 арифметические блоки умножения. Цифровые БИХ-фильтры 14, 15 работают в конвейерном режиме. Синхронизация записи данных с буферных регистров 10, 11 осуществляется сигналом общей синхронизации с микропроцессорного комплекта (МПУ). Гармонический сигнал опорной частоты, вырабатываемый генератором 1, поступает на вход формирователя 2 и затем счетчика 3, осуществляющего деление сигнала опорной частоты, например, на 103 по одному выходу счетчика 3 и на (103-1) по другому выходу (сдвиг на один разряд). Счетчик 3 синхронизирует запуск когерентно с эталонным опорным сигналом генератора 4 прямоугольных импульсов с частотой fг= f0/103. Генератор 4 вырабатывает последовательность коротких импульсов, когерентно сдвинутых относительно синхроимпульсов на величину




















где Сi1 - сигналы на первом выходе БИХ-фильтров при разомкнутом ключе 5. На втором этапе последовательно производится оценка второго параметра, характеризующего погрешность фазового сдвига между каналами, в соответствии с алгоритмом: 1) в качестве сигналов Х(nТ) и Y(nT) берутся сигналы первых выходов БИХ-фильтров С11(nТ) и С21(nТ); 2) оператор запаздывания


где Т - шаг квантования, во времени единый для АЦП и БИХ-фильтров, работающих в конвейерном режиме;
n=1, 2, 3, 4,... От уравнения (4) можно перейти к уравнению
DF2Z3(nT)+6DFZ2(nT)-12Z1(nТ)=0 (5)
где DF - неизвестный параметр, характеризующий знак и величину сдвига по фазе в каналах квадратурного демодулятора, включая АЦП и цифровые БИХ-фильтры. При фиксированной длительности ИПФ и периодическом возбуждении объекта исследования
Z1(nT)=C21(nT)-C11(nT),
Z2(nT)=C22(nT)+C12(nT),
Z3(nT)=C23(nT)-C13(nT),
Переменная Z1(nT) в дискретных точках (nТ) формируется на выходе арифметического сумматора-вычитателя 16 и синхронно поступает на информационный вход цифрового сумматора-накопителя 18. Сигнал Z2(nT) формируется на выходе арифметического сумматора-вычитателя 17. Сигналы Сji(nT) снимаются с первых, вторых и третьих выходов цифровых БИХ-фильтров 14, 15 соответственно, причем
Cj2(nT)=dCjl(nT)/dt,
а Cj3(nT)=dCj2(nT)/dt=d2Cjl(nT)/dt2. Точность оценки сдвига фаз в каналах квадратурного демодулятора 6 можно повысить, если статистически накапливать информацию на цифровых сумматорах-накопителях 18 и 19, синхронно управляя ГСИ. Объем выборки контролируется микропрограммным управлением МПУ. Интегрирование сигналов, входящих в уравнение (5), на специально формируемых отрезках времени niТ и ni+kТ заменили численным интегрированием методом прямоугольников. Микропроцессорный комплект блоков 20 решает сформированное квадратное уравнение относительно неизвестного параметра DF в БОД:
DF2(-SZ1)+6DFSZ2-12SZ1=0, (6)
где


S'Z3=-S'Z1
Микропроцессорный комплект 20 вычисляет значение
DF1=(3

DF2=(3

где D - дискриминант уравнения (6), вычисляется по формуле

Результатом цифрового измерения сдвига фаз DF является меньший по модулю из двух DF1 и DF2. Знак и величина DF* так же, как и




где SMCj2=

Cj2(nT)

Так как интегрирование сигналов Cjl(nT)












где

Уравнение (8) можно получить, если сдвиг по фазе в каналах БКД равен 45o. В этом случае sin(






1. Патент США 4484194, МПК G 01 G 7/40 от 27.11.84. 2. С. Дж. Рабиновитц и др. "Цифровые методы в радиолокации", ТИИЭР, том 73, 2, 1985, с. 182-199. 3. Межд. заявка РСТ, 86/01001, МПК G 01 B, 52, 7/29 от 13.02.86. 4. Патент США 5717619, МПК G 06 F 17/10 от 10.02.98. 5. Заявка РФ на изобретение, 97109368/09, МПК6 G 06 F 17/00, G 01 S 13/00, "Цифровое устройство доплеровской обработки квадратурных импульсных видеосигналов". RU БИ 15 27.05.99, с. 260. 6. А.с. СССР 1292492 (НП), МПК G 06 F 15/336, "Устройство для определения взаимокоррелляционных функций характеристик квадратурного демодулятора". Опубл. 28.02.85. 7. А.с. СССР 1609328 (НП), МПК G 06 G 7/19, G 01 R 25/00, "Цифровой измеритель сдвига фаз". Опубл. 23.12.88.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3