Устройство аналого-цифрового преобразования узкополосных сигналов

СОЮЗ СОВЕТСКИСОЦИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК 9) ЯО ц 4 Н 03 М 1 12 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 33еский инститМ.В.Зарубинс ство СССР 48, 1983. во СССР ВОГОИГНАЛО импульсдля цифвых узкоретен ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(57) Изобретение относитсяной технике и предназначенорового представления аналогполосных сигналов. Цель иэо расширение функциональных воэможностей, которое заключается в том, чтоустройство позволяет формировать какцифровые значения отсчетов мгновенныхзначений, так и цифровые значения отсчетов квадратурных составляющихузкополосных сигналов. Устройствосодержит блок 1 выборки и запоминания,аналого-цифровой преобразователь 2,формирователь 3 знака, два коммутатора 4 и 5, сумматор 6, три регистрапамяти 7-9, генератор 10 опорной частоты, счетчик 11, два элемента И 12и 13 и инвертор 14, Узкополосный аналоговый сигнал в блоке 1 выборки изапоминания дискретизируется с перио- йдом Т, равным нечетному числу четвер1336234 тей периода центральной частоты сигнала, В полученной последовательностиотсчетов мгновенных значений послепреобразования их с помощью аналогоцифрового преобразователя 2 в цифровую Форму формирователем 3 знака инвертируется знак каждой второй парыотсчетов. Четные отсчеты сформированной таким образом последовательностиотносятся к косинусной квадратурной 1Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для цифрового представления аналоговых узкополосных сигналов.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства, эа счет измерения квадратурных составляющих сигнала.На фиг.1 представлена структурнаясхема устройства аналого-цифровогопреобразования ускополосных сигналов;на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие формирование пар отсчетовквадратурных составляющих; на фиг.3временные диаграммы управляющих напряжений.Устройство содержит блок 1 выборкии запоминания, аналого-цифровой преобразователь 2, формирователь 3 знака, коммутаторы 4 и 5, сумматор 6,регистры 7 - 9, генератор 10 опорнойчастоты, счетчик 11, элементы И 12и 13 и инвертор 14.Устройство работает следующим образом.На вход устройства поступает узкополосный сигнал Н(1), который описывается выражениемН(е) =Н(е) Соэ 2 ТЕ, +ц3, (1)где Н(й), й, и Ч(1;) - соответственноамплитуда (огибающая), центральная частота и фаза узкополосногосигнала,Блок 1 выборки и запоминания осуществляет дискретизацию этого сигнала,представляя его совокупность отсчетов мгновенных значений. Аналогосоставляющей, а нечетные - к синусной, но моменты дискретизации квадратурных составляющих в каждой паре отсчетов отличаются на Т. Для приведения отсчетов каждой пары к одному моменту времени в устройстве с помощьюдвух коммутаторов, сумматора и трехрегистров памяти производится встречная линейная интерполяция по двум соседним отсчетам. 3 ил. цифровой преобразователь 2 переводитаналоговые значения отсчетов в цифровую форму. Частота дискретизации Г =1/Т, рав ная частоте следования импульсов свыхода младшего разряда счетчика 1 1,выбирается таким образом, чтобы выполнялись следующие два условия: Гдолжна быть не меньше удвоенной ширины спектра сигнала и должно выполняться условиеГ =4 Г,/(4 Кф 1), (2)где Е - номер ближайшей к Г гармониоки частоты дискретизации Г 15При выполнении условия (2) на периоде дискретизации Т укладывается нечетное число четвертей периода центральной частоты сигнала. Поэтому,если при выполнении условия (2) разделить четные и нечетные отсчетымгновенных значений и в сформированных таким образом обеих последовательностях проинвертировать знак каждого второго отсчета то последоваФтельность четных отсчетов оказывается идентичной последовательности отсчетов косинусной квадратурной составляющей, а последовательность нечетных отсчетов - синусной. Такой же ЗО результат получится, если вначалепоменять знак в каждой второй пареотсчетов, а затем разделить четные инечетные отсчеты, На фиг.2 а представлена последовательность Н(пТ) отсче тов мгновенных значений узкополосногоколебания П (1),. а на фиг.2 б и вполученные описанным образом последовательности отсчетов соответственнокосинусной Ч,(2 пТ) и синусной У (2 пТ+6234 Интерполяция в соответствии с фор мулами (3) и (4), необходимая дляполучения пар отсчетов квадратурныхсоставляющих, относящихся к одним итем же моментам времени, выполняетсякоммутаторами 4 и 5, сумматором 6,регистрами 7 - 9 по командам, формируемым с помощью генератора 10 опорной частоты, счетчика 11, элементовИ 12 и 13, инвертора 14. Встречная линейная интерполяция сводится к сло 40 жению соседних отсчетов соответствующей квадратурной составляющей с весовыми коэффициентами, равными 0,25 и 0,75. Эта операция 1 формулы (3) и (4) выполняется в два этапа. Вна чале соседние отсчеты складываются содинаковыми весовыми коэффициентами, равными 0,5. Затем полученная сумма складывается с тем из отсчетов, результирующий весовой коэффициент ко торого должен быть равен 0,75. При Описанная процедура формирования отсчетов квадратурных составляющих, относящихся к одному и тому же моменту времени, реализуется следующим образом. Тактовые импульсы с выхода генератора 10 опорной частоты (фиг.За) поступают на вход трехразрядного счетчика 11. Импульсные последовательности на выходах младшего, промежуточного и старшего разрядов этого счетчика показаны соответственно на фиг.36, в и г. В моменты окончания импульсов, поступающих на выход младшего разряда этого счетчика (фиг.36), в блоке 1 выборки и запоминания фикз 133 +Т) квадратурных составляющих, Как видно из приведенных на фиг.26 и в временных диаграмм, в указанных последовательностях отсчеты косинусной и синусной составляющих относятся к разным моментам времени, сдвинутым друг относительно друга на время Т= =1 ЛДля получения пар отсчетов квадратурных составляющих Ч (2 пТ,5 Т) и Чз(2 пТ,5 Т), относящихся к совпадающим моментам времени 2 пТ - 0,5 Т, в предлагаемом устройстве применена встречная линейная интерполяция отсчетов косинусной и синусной составляющих (фиг.2 г и д). В соответствии с этим выходные отсчеты квадратурных составляющих определяются следующими выражениями:Ч,(2 пТ,5 Т)=0,75 Ч (2 пТ)+0,25 Ч (2 пТТ)=0,50,5 Ч,(2 пТ)+0,5 Ч (2 пТТЦ+ +Оэ 5 Чс(2 пТ) (3)Чз (2 пТ,5 Т)=0,25 Ч (2 пТ+Т)+0,75 Ч(интерполируемые) отсчеты обеих квадратурных составляющих получаются каквесовое среднее двух соседних отсчетов. При этом в соответствии с гипотезой о линейном изменении Ч (й) иЧна интервале 2 Т вес отсчетовслагаемых тем больше, чем ближе отсчет к интерполируемому. Так, отсчет,отделенный от интерполируемого интервалом 1,5 Т, имеет весовой коэффициент,равный 0,25, а отсчет, отделенный интервалом 0,5 Т, - весовой коэффициент,равный 0,75. На фиг.2 г и д для однойиз пар интерполируемых отсчетовЧ,(4 Т,5 Т) и Ч(4 Т,5 Т) штриховойлинией показаны отсчеты-слагаемые. 5 10 15 20 25 сируются значения отсчетов мгновенных значений входного сигнала и одновременно начинается преобразование вцифровую форму аналого-цифровым преобразователем 2, на выходе которогоотсчеты представляются М-разрядным дополнительным двоичным кодом. Формирователь 3 знака в каждой второй паре отсчетов мгновенных значений инвертирует знакПри этом в парах отсчетов, поступающих на вход формирователя 3 знака в то время, когда на его управляющем входе логический нуль(фиг.Зп), знак отсчетов сохраняется,а в парах отсчетов, поступающих, когда на управляющем входе логическая единица, знак отсчетов изменяется напротивоположный, В результате на выходе формирователя 3 знака четныеотсчеты представляют собой отсчетыкосинусной квадратурной составляющей,а нечетные - синусной. Но в каждойпаре отсчеты квадратурных составляющих относятся к разным моментам времени, сдвинутым друг относительнодруга на интервал Т (фиг.26 и в). втором сложении весовые коэффициенты обоих слагаемых также равны 0,5. Такой порядок выполнения встречнойлинейной интерполяции обеспечивает наиболее простую реализацию умножения слагаемых на весовые коэффициенты.Обе операции сложения, осуществляемые при формировании каждого вы-. ходного отсчета, выполняются суммаТак как слагаемые Ч,(2 Т) и Ч (О)поступают в сумматор 6 через коммутаторы 4 и 5, они автоматически умножаются на весовые коэФфициенты, равные0,5, Сложение 0,5 Ч,-(2 Т) и 0,5 Чс(0),являющееся первым в процессе интерполяции выходного отсчета Чс(2 Т,5)(Фиг,2 б и г), обеспечивается тем,что в течение интервала от 2 Т до 2 Т++0,5 Т к выходам коммутаторов 4 и 5подключены их первые входы, так какна управляющих входах присутствуетлогический нуль (Фиг.Зд и е). В мо мент времени 2 Т+0,5 Т результат сложения с выхода сумматора 6 срезом выходного импульса генератора 10 опорной частоты (фиг.За) записывается регистр 7. В течение интервала времени 20 от 2 Т+0,5 Т до ЗТ в сумматоре 6 цифровое значение отчета Ч,(2 Т) складывается с результатом первого сложения,который с выхода регистра 7 черезвторой коммутатор 5 поступает на вто рые входы сумматора 6, Весовые коэфФициенты обоих слагаемых равны 0,5.На этом интервале выходы коммутатора 4 подключены к его первым входам, так как на управляющий вход это го коммутатора поступает логическийнуль (Фиг.Зд), а выходы коммутатора5 подключены к его вторым входам,так как на управляющий вход коммутатора 5 поступает логическая единица(фиг,Зе). В момент времени ЗТ срезомочередного выходного импульса генератора 10 опорной частоты (фиг.За) встаршие И+1 разрядов регистра 7 записывается результат второго сложения 40 с выхода сумматора 6, а в (И+2)-йразряд - цифра, ранее хранившаяся в(И+1)-м разряде этого же регистра.В результате в первом регистре 7 памяти оказывается записанным значение 4 интерполированного отсчета Ч (2 Тс-0,5 Т), которое хранится в регистре7 до момента ЗТ+0,5 Т (фиг.Зж).Кроме того, в момент времени ЗТсрезом выходного импульса младшего 50,разряда счетчика 11 (Фиг.Зб) цифровое значение отсчета Ч(2 Т) записывается в регистр 8, а ранее хранившееся в нем значение Ч (Т) записывается в регистр 9. Значение отсчета 55 Ч (О), хранившееся до этого моментав регистре 9, стирается.В течение интервала времени отЗТ до ЗТ+0,5 Т аналоговый отсчет мгновенного значения сигнала, датируемый 1336234тором б. Фиксация результатов сложения производится регистром 7. Слагаемые на сумматор 6 поступают черезпервый 4 и второй 5 коммутаторы. Вобоих коммутаторах 4 и 5 выходы соединены с первыми входами при логическомнуле на управляющем входе и с вторымвходами при логической единице. Управляющие сигналы на коммутаторы 4 и 5поступают с выходов соответственноэлементов И 12 и 13. Временная диаграмма выходного напряжения элементаИ 12 показана на фиг.Зд, а элементаИ 13 в . на Фиг.Зе; Умножение слагаемых1на весовые коэффициенты, равные 0,5,выполняется автоматически благодаряподключению 1-х разрядов (=1,2М) выходов обоих коммутаторов к (1++1)-м разрядам соответствующих входовсумматора 6 и соединению между собойдвух старших разрядов (х=1 и 1=2) накаждом из выходов сумматора 6,Необходимая задержка отсчетов-слагаемых осуществляется регистрами 8и 9. Запись в регистр 7 производитсяпо срезам выходных импульсов генератора 10 опорной частоты (фиг.За), азапись в регистры 8 и 9 - по срезамвыходных импульсов младшего разрядасчетчика 11 (Фиг.Зб). Поскольку значение младшего (И+2)-го разряда выходного отсчета полностью определяется результатом первого из двух сложений, выполняемых в процессе интерполяции, в регистре 7 выход (И+1)-горазряда соединен с входом (И+2)-горазряда. Благодаря этому цифра, полученная в (И+ 1)-м разряде в результате первого сложения, в момент записив регистр 7 результата второго сложения перезаписывается в (И+2)-й разрядэтого регистра.Поясним подробнее процесс формирования отсчетов квадратурных составляющих на интервале времени от 2 Т до4 Т, В течение времени от момента 2 Т,которым в блоке 1 выборки и запоминания датируется очередной отсчет мгновенного значения выходного сигнала,до момента 2 Т+0,5 Т этот отсчет переводится в цифровую форму в аналогоцифровом преобразователе 2, проходитчерез формирователь 3 знака и, превратившись, таким образом, в цифровоезначение отсчета косинусной составляющей Ч(2 Т), складывается в сумматоре6 с цифровым значением отсчета Ч (О),записанного в регистре 9.234 7,1336моментом ЗТ, в аналого-цифровом преобразователе 2 переводится в цифровую форму, проходит через формирователь 3 знака и, превратившись в цифровое значение отсчета Ч (ЗТ), скла 5дывается в сумматоре 6 с цифровымзначением отсчета Ч (Т), поступающимс выхода регистра 9. Оба слагаемыесуммируются с весовыми коэффициентами, равными 0,5, так как они поступают на сумматор 6 через коммутаторы4 и 5. Поступление этих слагаемых втечение указанного времени обеспечивается тем, что на управляющих входах15коммутаторов в течение этого времениприсутствует логический нуль (фиг.Зди е). Описанное сложение являетсяпервым в процессе интерполяции отсчета Ч(2 Т,5 Т) . В момент ЗТ+0,5 Т результаг сложения записывается в регистр 7.В течение времени от ЗТ+0,5 Т до4 Т сумматор 6 производит сложение(с весовыми коэффициентами 0,5) результата предыдущего сложения и отсчета Ч(Т). Результат предыдущегосложения поступает на сумматор 6 свыхода регистра 7 через первый коммутатор 4, на управляющем входе которого в это время присутствует логическая единица (фиг.Зд) и его выходыподключены к вторым входам. На управляющем входе коммутатора 5 в течениеинтервала от ЗТ+0,5 Т до 4 Т присутствует логический нуль (фиг.Зе), и еговыходы подключены к первым входам,пропуская цифровое значение отсчетаЧ (Т) с выхода регистра 9 на входсумматора. В момент 4 Т в регистр 740записывается интерполированное значение отсчета Чз(2 пТ,5 Т), котороесохраняется в нем до момента 4 Т+0,5 Т(фиг.Зж).Формула и з обретенияУстройство аналого-цифрового преобразования узкополосных сигналов,содержащее блок выборки и запоминания,вход которого является входной шиной,аналого-цифровой преобразователь,сумматор, выходы которого соединены 50с соответствующими входами первогорегистра, И выходов которого являютсявыходной информационной шиной и соединены с соответствующими первымиинформационными входами первого коммутатора, генератор опорной частоты и счетчик, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью расширения функциональных возможностей, введены форми рователь знака, второй и третий регистры, второй коммутатор, два элементаИ и инвертор, вход которого объединенс первым входом первого элемента И исоединен с первым выходом счетчика,а выход соединен с первым входом второго элемента И, второй вход которогообъединен с управляющими входами блока выборки и запоминания, аналогоцифрового преобразователя, вторымвходом второго элемента И и соединенс вторым выходом счетчика, вход которого объединен с управляющим входом первого регистра и соединен с выходомгенератора опорной частоты, а третийвыход - с управляющим входом формирователя знака, информационные входыкоторого соединены с выходами анало-го-цифрового преобразователя, информационный вход которого соединен свыходом блока выборки и запоминания,выходы формирователя знака соединеныс соответствующими вторыми информационными входами первого коммутатораи второго регистра, управляющий входкоторого объединен с управляющим входом третьего регистра и соединен свторым выходом счетчика, а выходы соединены с соответствующими информационными входами третьего регистра, выходы которого соединены с соответствующими первыми информационными входами второго коммутатора, управляющийвход которого соединен с выходом первого элемента И, а вторые информационные входы соединены с первого поИ-й выходами первого регистра, (И++1)-й выход которого соединен с (И++2)-м входом первого регистра и совместно с (И+2)-м выходом являетсявыходной шиной признака, выход второго элемента И соединен с управляющимвходом первого коммутатора, а первыйи второй входы в первой и второйгруппах входов сумматора объединеныи соединены с первыми выходами первого и второго коммутаторов соответственно, выходы с второго по М-йпервого и второго коммутаторов соединены с соответствующими с третьегопо (И+1)-й входами первой и второйгрупп входов сумматора соответственно.ектор С,Шекм Тираж 901арственного комитетаобретений и открытийЖ, Раушская наб. дписное ка д, 4/5 роизводственно-полиграфическ 55/56 ВНИИПИ Го по делам 113035, Мос