Номер патенту: 41976

Опубліковано: 15.10.2001

Автор: Подоляк Сергій Юрійович

Є ще 2 сторінки.

Дивитися все сторінки або завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Способ аналого-цифрового преобразования входного сигнала, имеющего заданную максимальную частоту, в выходной цифровой сигнал, имеющий заданные частоту и разрядность, отличающийся тем, что входным аналоговым сигналом осуществляют аналоговую угловую модуляцию дополнительного аналогового высокочастотного синусоидального сигнала постоянной амплитуды, в результате чего по­лучают промежуточный высокочастотный модулированный аналоговый сигнал постоянной амплиту­ды, который затем подвергают двустороннему ограничению по частоте, в результате чего получают ограниченный по спектру отфильтрованный высокочастотный аналоговый модулированный сигнал, над которым затем осуществляют дискретизацию по времени и квантование по амплитуде с выделе­нием цифрового промежуточного сигнала, представляющего собой квантованные выборки отфильтро­ванного высокочастотного аналогового модулированного сигнала, затем осуществляют цифровую угловую демодуляцию полученного цифрового промежуточного сигнала с выделением демодулированного цифрового сигнала, представляющего собой квантованные выборки входного аналогового сигнала, после чего осуществляют цифровое двустороннее ограничение по частоте сигнала, содержа­щегося в полученном демодулированном цифровом сигнале, с выделением отфильтрованного цифрового сигнала с ограниченным частотным спектром, который затем подвергают прореживанию с выделением требуемого выходного цифрового сигнала, при этом указанную цифровую угловую демодуляцию цифрового промежуточного сигнала осуще­ствляют таким образом, чтобы разрядность получаемого демодулированного цифрового сигнала была равной или превышала требуемую разрядность выходного цифрового сигнала, а частота получаемого демодулированного цифрового сигнала была не менее, чем в два раза выше заданной максимальной частоты входного аналогового сигнала.

Текст

Способ аналого-цифрового преобразования входного сигнала, имеющего заданную максимальную частоту, в выходной цифровой сигнал, имеющий заданные частоту и разрядность, отличающийся тем, что входным аналоговым сигналом осуществляют аналоговую угловую модуляцию дополнительного аналогового высокочастотного синусоидального сигнала постоянной амплитуды, в результате чего получают промежуточный высокочастотный модулированный аналоговый сигнал постоянной амплитуды, который Изобретение относится к радиотехнике, а именно, к технике преобразования аналоговых сигналов в импульсно-кодовую цифровую форму, и может быть использовано в профессиональной и бытовой цифровой звукотехнике, а также в аппаратуре телефонной связи Как известно, при аналого-цифровом преобразовании периодически получают выходной цифровой код, с максимально возможной точностью отражающий округленное мгновенное значение входного аналогового сигнала При этом спектр входного аналогового сигнала ограничивают свер Зоя затем подвергают двустороннему ограничению по частоте, в результате чего получают ограниченный по спектру отфильтрованный высокочастотный аналоговый модулированный сигнал, над которым затем осуществляют дискретизацию по времени и квантование по амплитуде с выделением цифрового промежуточного сигнала, представляющего собой квантованные выборки отфильтрованного высокочастотного аналогового модулированного сигнала, затем осуществляют цифровую угловую демодуляцию полученного цифрового промежуточного сигнала с выделением демодулированного цифрового сигнала, представляющего собой квантованные выборки входного аналогового сигнала, после чего осуществляют цифровое двустороннее ограничение по частоте сигнала, содержащегося в полученном демодулированном цифровом сигнале, с выделением отфильтрованного цифрового сигнала с ограниченным частотным спектром, который затем подвергают прореживанию с выделением требуемого выходного цифрового сигнала, при этом указанную цифровую угловую демодуляцию цифрового промежуточного сигнала осуществляют таким образом, чтобы разрядность получаемого демодулированного цифрового сигнала была равной или превышала требуемую разрядность выходного цифрового сигнала, а частота получаемого демодулированного цифрового сигнала была не менее, чем в два раза выше заданной максимальной частоты входного аналогового сигнала ху по частоте входным аналоговым фильтром нижних частот Точность аналого-цифрового преобразования в общем случае зависит от погрешности преобразования и является величиной ей обратной Известен параллельный способ аналогоцифрового преобразования, который основан на принципе преобразования входного сигнала с помощью набора компараторов путем его одновременного синхронного квантования [1] Такое преобразование является самым быстродействующим из известных и позволяет достичь частот преобразования 100 400 MHz о (О 5 41976 К недостаткам параллельного способа относится резкое увеличение числа компонентов преобразователя при увеличении разрядности, что, в свою очередь, приводит при его практической реализации к увеличению потребляемой мощности и размеров устройства преобразования При этом число компараторов и число резисторов в делителе опорных напряжений параллельного аналого-цифрового преобразователя, как известно, равно N R =2 n (1) Ncomp=2n-1, (2) где п - выходная разрядность преобразователя, NR - требуемое число резисторов, Ncomp - требуемое число компараторов При высокой - более 16 бит - выходной разрядности требуемое количество компараторов и резисторов резко возрастает, что усложняет параллельный преобразователь, удорожает его производство и подгонку, а также увеличивает потребляемую им мощность Известен также способ аналого-цифрового преобразования с использованием промежуточного преобразования "напряжение-частота" [2], который основан на том, что мгновенное значение входного аналогового сигнала используют для фазо-импульсной модуляции по частоте дополнительного импульсного сигнала постоянной амплитуды Полученный частотно-модулированный импульсный сигнал подают затем в цифровое счетное устройство, определяющее среднюю частоту импульсного сигнала на некотором промежутке времени На выходе счетного устройства получают цифровой код, который таким образом отражает мгновенное значение входного аналогового сигнала Недостатками известного способа "напряжение-частота" являются погрешности, вносимые входным импульсно-аналоговым частотным модулятором, а также низкая скорость преобразования вследствие того, что для определения частоты промежуточного импульсного сигнала производят подсчет импульсов на некотором промежутке времени При преобразовании аналогового сигнала в последовательность цифровых отсчетов точность преобразования также снижается из-за того, что на практике любой источник аналогового сигнала имеет конечный ненулевой импеданс и ограниченную мощность Поэтому цифровой код, получаемый путем взятия отсчетов, зависит не только от мгновенного уровня входного сигнала, но также и от энергии входного сигнала, накопленной в течение интервала времени между соседними выборками, что также снижает точность преобразования При этом, как известно [1], основным узлом, вносящим максимум погрешностей при реализации упомянутых способов преобразования, являются компараторы напряжения Как правило, их выполняют стробируемыми, то есть в состав компаратора вводят устройство, переключающее компаратор из режима сравнения сигналов в режим хранения результата сравнения (стробирования) Поскольку при этом измерение уровня (энергии) входного аналогового сигнала носит им пульсный характер (стробирование), то источник входного аналогового сигнала работает на импульсную нагрузку, что ведет к появлению дополнительных частотных и нелинейных искажений, снижающих точность преобразования В дополнение к указанным недостаткам, известные способы аналого-цифрового преобразования обладают также следующими недостатками, снижающих точность и стабильность преобразования (1) точность преобразования снижается изза неидеальности амплитудно-частотной и фазочастот-ной характеристики входного аналогового фильтра нижних частот, (2) активные элементы входного аналогового фильтра нижних частот вносят дополнительные нелинейные искажения во входной аналоговый сигнал, что снижает точность преобразования, (3) вследствие последовательно-аналогового характера преобразования, все ступени преобразования должны иметь существенный запас по динамическому диапазону и уровню собственных шумов, например, для обеспечения 20-битового аналого-цифрового преобразования динамический диапазон преобразователя должен составлять не менее 120 dB, что находится на физическом пределе аналоговых электронных компонентов, (4) аналого-импульсный компаратор имеет нижний предел срабатывания, что увеличивает погрешность и затрудняет преобразование низкоуровневых сигналов, (5) относительно высокая погрешность при очень малых и очень больших уровнях входного напряжения, (6) необходимость применения большого количества линейных узлов, требования к точностным и динамическим характеристикам которых очень высоки, что вызывает дополнительные трудности, связанные с прецизионной стыковкой и этих узлов друг с другом, (7) необходимость прецизионной синхронизации линейно-импульсных компараторов, что вызывает снижение стабильности в случае требуемой высокой разрядности (точности) Существенным недостатком известных способов аналого-цифрового преобразования также является сложность их реализации, связанная с преодолением известной [2] апертурной неопределенности (погрешности) Вследствие конечного времени преобразования апертурная неопределенность приводит к "дрожанию" истинных моментов времени, в которые берутся отсчеты сигнала, по отношению к требуемым, равноотстоящим на оси времени, моментам В результате вместо требуемой равномерной дискретизации со строго постоянным периодом происходит дискретизация с флуктуирующим периодом повторения, что приводит к нарушению известных (см например [3]) условий теоремы отсчетов и появлению упомянутых апертурных погрешностей Например, для обеспечения дискретизации синусоидального сигнала частотой 100 kHz с погрешностью 1% (7 бит) время преобразования аналого-цифрового преобразователя должно быть равно 25 не В то же время с помощью такого быстродействующего аналого-цифрового преобра 41976 зователя принципиально можно дискретизировать сигналы, имеющие ширину спектра порядка 20 MHz С другой стороны, при увеличении требуемой точности до 0,01 % (увеличении разрядности до 13-14 бит) и при общем увеличении выходного потока информации всего в 2 раза, требуется обеспечить время преобразования уже на несколько порядков меньше Таким образом, эффект апертурной неопределенности приводит к значительному превышению требований к быстродействию преобразователя относительно периода дискретизации Это расхождение достигает несколькихпорядков и неоправданно усложняет процесс дискретизации в случае требуемой высокой разрядности, так как для точного преобразования даже сравнительно узкополосных сигналов требуется быстродействующий аналого-цифровой преобразователь Вследствие указанных недостатков известных способов аналого-цифрового преобразования и ограничений современной электронной технологии в настоящее время намного проще и экономичнее разрабатывать и производить аналогоцифровые преобразователи с низкой разрядностью 8 10 бит, работающие на частотах до 100 MHz с выходным потоком до 800 Мбит/с, чем разработать и про-мышленно производить высокоразрядный преобразователь, например, для высококачественной звукотехники,- на 20 бит и скорость до 100 kHz с намного меньшим выходным потоком - 2 Мбит/с Ближайшим по технической сущности к заявляемому способу, прототипом является способ аналого-цифрового преобразования, предложенный Werba в Патенте ФРГ № 3413051 [4] Преобразователь-прототип содержит источник сигнала несущей частоты и аналоговый частотный модулятор, посредством которого несущее колебание модулируется преобразуемым аналоговым сигналом Модулятору приданы несколько параллельно возбуждаемых резонансных контуров Каждый из них имеет свою резонансную частоту, лежащую в максимальном диапазоне девиации частоты При резонансе каждый контур формирует первое двоичное логическое значение, а при отсутствии резонанса - другое логическое значение Таким образом, в прототипе предложено выделять информацию о мгновенной частоте частотно-модулированного сигнала путем его непрерывного спектрального анализа Однако при этом прототип не учитывает известного явления несовпадения частотных составляющих спектра частотно-модулированного сигнала со значением его мгновенной частоты Таким образом известный способ [4] принципиально не может служить для преобразования произвольных аналоговых сигналов, так как не может выделять мгновенную частоту модулированного сигнала В основу изобретения поставлена задача увеличения точности аналого-цифрового преобразования Поставленная задача в заявляемом способе решается тем, что последовательно осуществляют предварительную аналоговую угловую (частотную или фазовую) модуляцию входным аналоговым сигналом высокочастотного синусоидально го сигнала После этого преобразуют полученный промежуточный аналоговый частот но-фазо- модулированный высокочастотный сигнал в цифровую многоразрядную форму, а затем осуществляют цифровую демодуляцию полученного цифрового высокочастотного сигнала с выделением требуемого выходного цифрового кода, соответствующего дискретным выборкам входного аналогового сигнала Существенным отличием заявляемого способа от известных способов и прототипа является осуществление цифровой угловой (частотной, фазовой) демодуляции сигнала, содержащегося в промежуточном многоразрядном цифровом сигнале, полученном в результате дискретизации и квантования промежуточного модулированного аналогового сигнала При этом положительный эффект заявляемого способа достигается за счет того, что в ходе цифровой угловой демодуляции, как известно [3], происходит цифровая свертка широкополосного модулированного промежуточного сигнала в узкополосный выходной цифровой сигнал Такая свертка сопряжена с суммированием сильно коррелированных спектральных составляющих информативного модулированного сигнала В то же время частотные составляющие спектра помех, возникающих на промежуточном этапе аналогоцифрового преобразования коррелированы тем слабей, чем шире полоса частот, в которой осуществляется их суммирование при демодуляциисвертке Такое выделение коррелированных составляющих в процессе демодуляции по заявляемому способу значительно снижает зависимость требуемого выходного цифрового сигнала от искажений и помех, возникающих в процессе промежуточного аналого-цифрового преобразования, что, в свою очередь, повышает результирующую точность аналого-цифрового преобразования На фиг 1 в виде блок-схемы изображена последовательность операций обработки сигнала по заявляемому способу На фиг 2 А-Д показаны временные диаграммы сигналов по заявляемому способу для частного случая частотной модуляции промежуточного сигнала, где фиг 2А - временная диаграмма промежуточного сигнала V2 без модуляции, фиг 2Б - временная диаграмма входного аналогового сигнала V1, фиг 2В - временная диаграмма частотномодулированного промежуточного сигнала V2, фиг 2Г - временная диаграмма цифрового сигнала V6 и его аналогового прообраза V2 (пунктир), фиг 2Д - временная диаграмма требуемого выходного цифрового сигнала V10 и его аналогового прообраза V1 (пунктир), На фиг ЗА изображены сглаженные диаграммы частотных спектров входного аналогового сигнала V1 и промежуточного модулированного аналогового сигнала V2 по заявляемому способу На фиг ЗБ изображено соотношение полного информационного потока J(V6) цифрового сигнала V6 и неинформативного потока J(V5), соответствующего аналоговому немодулированному сигналу V5 41976 Условные обозначения на рисунках и диаграммах 1 - аналоговый угловой (частотный, фазовый) модулятор MOD, 2 - аналоговый задающий высокочастотный генератор синусоидального сигнала опорной частоты (фазы) GEN, 3 - аналоговый высокочастотный фильтр нижних частот, 4 - аналоговый высокочастотный фильтр верхних частот, 5 - промежуточный высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь ADC, 6 - цифровой угловой (частотный, фазовый) высокочастотный демодулятор DEM, 7 - цифровой низкочастотный фильтр нижних частот, 8 - цифровой низкочастотный фильтр верхних частот, 9 - цифровой прореживатель (дециматор) DEC, 10 - высокочастотный аналоговый полосовой частотный фильтр, совмещающий фильтры 3 и 4, 11 - низкочастотный цифровой полосовой частотный фильтр, совмещающий фильтры 7 и 8, V1 - входной низкочастотный аналоговый сигнал, V2 - промежуточный фазо-частотно-модулированный аналоговый высокочастотный сигнал, V3 - аналоговый высокочастотный синусоидальный сигнал опорной частоты (фазы) генератора GEN, V4 - модулированный аналоговый промежуточный сигнал, ограниченный по частоте сверху, V5 - отфильтрованный модулированный аналоговый промежуточный сигнал, ограниченный по частоте снизу и сверху, V6 - цифровой сигнал, представляющий собой дискретные квантованные выборки модулированного сигнала V5, V7 - демодулированный цифровой высокоразрядный сигнал, V8 - цифровой сигнал, ограниченный по частоте сверху, V9 - отфильтрованный цифровой сигнал, ограниченный по частоте снизу и сверху, V10 - требуемый выходной цифровой сигнал, S1(f) - сглаженный частотный спектр входного аналогового сигнала V1, S2(f) - сглаженный частотный спектр промежуточного модулированного аналогового сигнала V2, F1 - нижняя частота рабочего (преобразуемого) спектра входного сигнала V1, F2 - верхняя частота рабочего (преобразуемого) спектра входного сигнала V1, F3 - нижняя граничная частота рабочего (преобразуемого) спектра модулированного сигнала V2, F4 - нижняя частотная граница эффективного спектра S2 модулированного сигнала V2, F5 - минимальная мгновенная частота модулированного сигнала V2 при максимальной девиации частоты, F6 - средняя (центральная) мгновенная частота немодулированного сигнала V2 (при отсутствии модуляции), F7 - максимальная мгновенная частота модулированного сигнала V2 при максимальной девиации частоты, F8 - верхняя частотная граница эффективного спектра S2 модулированного сигнала V2, F9 - верхняя граничная частота рабочего (преобразуемого) спектра модулированного сигнала V2, F10 - нижняя частота полного спектра S1 входного аналогового сигнала V1, F11 - верхняя частота полного спектра S1 входного аналогового сигнала VI, DF1 - частотная полоса пропускания цифровых фильтров 7 и 8 (рабочий спектр сигнала V1), DF2 - максимальная девиация мгновенной частоты модулированного сигнала V2, DF3 - частотная полоса эффективного спектра модулированного сигнала V2, DF4 - частотная полоса пропускания аналоговых фильтров 3 и 4 (рабочий спектр сигнала V2) J(V5) - поток информации цифрового сигнала V6, соответствующий аналоговому сигналу V5 при отсутствии модуляции, J(V6) - полный поток информации цифрового сигнала V6 Перед осуществлением аналого-цифрового преобразования по заявляемому способу заранее задаются максимальная амплитуда и полный диапазон частот [F10, F11] входного аналогового сигнала, рабочий (преобразуемый) диапазон частот [F1, F2] входного сигнала, а также требуемая выходная разрядность и частота повторения (дискретизации) требуемого выходного цифрового сигнала Аналого-цифровое преобразование по заявляемому способу осуществляют следующим образом (фиг 1) Входной аналоговый сигнал V1 (фиг 2Б) подают на управляющий вход аналогового углового (частотного, фазового или частотно-фазового) модулятора (MOD) 1 На другой вход модулятора 1 подают высокочастотный синусоидальный опорный аналоговый сигнал V3 (фиг 2А) постоянной амплитуды, получаемый от отдельного аналогового высокочастотного генератора (GEN) 2 (фиг 1) опорной частоты (фазы) В результате угловой (частотной, фазовой или частотно-фазовой) модуляции, осуществляемой модулятором 1, получают промежуточный аналоговый высокочастотный модулированный сигнал V2 (фиг 2В) Таким образом мгновенное значение частоты (фазы) промежуточного сигнала V2 отражает мгновенное значение входного аналогового сигнала V1 Среднюю мгновенную частоту F6 (фиг ЗА) и девиацию мгновенной частоты DF2 модулированного сигнала V2 выбирают таким образом, чтобы при предопределенных, заранее заданных максимальной амплитуде и максимальной частоте F11 входного сигнала V1 минимальная мгновенная частота F5 получаемого в результате модуляции промежуточного сигнала V2 превышала максимальную частоту F11 входного сигнала V1 не ме 41976 нее, чем в два раза Это условие необходимо для осуществления угловой модуляции Затем осуществляют аналоговое ограничение частотной полосы эффективного спеїсгра сигнала V2, которое необходимо для последующей дискретизации и демодуляции Для этого полученный промежуточный модулированный сигнал V2 подают на аналоговый фильтр нижних частот 3, обладающий срезом амплитудно-частотной характеристики на некоторой, заранее выбранной постоянной частоте F9 (фиг ЗА) Эту частоту F9 среза фильтра 3 выбирают таким образом, чтобы она превышала верхнюю частотную границу F8 всех существенных спектральных составляющих модулированного сигнала V2 Частоты существенных спектральных составляющих модулированного сигнала определяют по известным соотношениям с использованиям функций Бесселя с учетом требуемой погрешности (разрядности) последующего промежуточного аналого-цифрового преобразования Получаемый в результате фильтрации в блоке 3 аналоговый сигнал V4 представляет собой частотно-фазо-модулированный высокочастотный сигнал, ограниченный сверху по частоте некоторой заранее предопределенной постоянной величиной F9 Полученный промежуточный модулированный сигнал V4 подают затем на аналоговый фильтр верхних частот 4, обладающий срезом амплитудно-частотной характеристики на некоторой, заранее выбранной постоянной частоте F3 (фиг ЗА) Эту частоту среза F3 фильтра 4 выбирают аналогично частоте F9 таким образом, чтобы она была меньше нижней частотной границы F4 всех существенных спектральных составляющих модулированного сигнала V4, выбираемых с учетом требуемой погрешности (разрядности) последующего промежуточного аналого-цифрового преобразования Получаемый в результате фильтрации в блоке 4 аналоговый сигнал V5 представляет собой частотно-фазо-модулированный высокочастотный сигнал, ограниченный по частоте, - снизу постоянной величиной F3, а сверху - постоянной величиной F9 После этого полученный модулированный высокочастотный аналоговый сигнал V5 с ограниченным спектром [F3, F9], подвергают промежуточному аналого-цифровому преобразованию (ADC) в блоке 5 Блок 5 представляет собой высокоскоростной, низкоразрядный (относительно заданной требуемой выходной разрядности) аналого-цифровой преобразователь Частоту дискретизации аналогового сигнала V5 в блоке 5, в соответствии с известными условиями теоремы отсчетов, выбирают таким образом, чтобы она превышала верхнюю частоту F9 среза аналогового фильтра 3 не менее, чем в два раза В результате промежуточного аналого-цифрового преобразования (ADC) блоком 5 на его выходе получают цифровой сигнал V6 (фиг 2Г), представляющий собой квантованные по уровню дискретные выборки промежуточного модулированного сигнала V5 При этом разрядность квантования при промежуточном аналого-цифровом преобразовании в блоке 5 выбирают таким образом, чтобы цифровой информационный поток J(V6) на выходе блока 5 не менее, чем в 71-1 раз, то есть примерно на 50% (3) превышал требуемый, заранее заданный полный информационный поток цифрового сигнала на выходе всего аналого-цифрового преобразователя, при условии 100%-го преобразования в ходе последующей цифровой демодуляции промежуточного сигнала V6 без потери полезной информации Формула (3) отражает соотношение полного информационного потока J(V6) цифрового сигнала V6 к максимально возможному информативному потоку J(V5) на выходе промежуточного аналогоцифрового преобразователя 5 (фиг ЗБ) Снижение информативности полного потока J(V6) цифрового сигнала V6 связано с "занятостью" части J(V5) потока сигнала V6 неинформативным сигналом V5 в отсутствие модуляции Полученный цифровой сигнал V6 затем подают на цифровой угловой (частотный, фазовый) демодулятор (DEM) 6 В результате цифровой демодуляции (свертки) на выходе демодулятора 6 получают цифровой сигнал V7, представляющий собой квантованные дискретизированные выборки полного (нефильтрованного) входного аналогового сигнала V1 При этом угловую демодуляцию в блоке 6 выполняют таким образом, чтобы разрядность цифрового сигнала V7 на его выходе была не менее разрядности требуемого выходного сигнала, а частота дискретизации получаемого сигнала V7 была выше заданной максимальной частоты F11 нефильтрованного входного аналогового сигнала VI не менее, чем в два раза После этого полученный в результате демодуляции цифровой сигнал V7 подают на цифровой фильтр нижних частот 7, обладающий срезом амплитудно-частотной характеристики выше требуемой постоянной верхней частоты F2 заданного ограничения спектра входного сигнала V1 В результате среза верхних частот на выходе цифрового фильтра 7 получают отфильтрованный цифровой сигнал V8, ограниченный по частоте сверху Полученный в результате фильтрации 7 цифровой сигнал V8 подают затем на цифровой фильтр верхних частот 8, обладающий срезом амплитудно-частотной характеристики ниже требуемой постоянной нижней частоты F1 заданного ограничения спектра входного сигнала V1 В результате среза нижних и верхних частот на выходе цифрового фильтра 8 получают цифровой сигнал V9, ограниченный постоянной полосой частот [F1, F2] заранее заданного рабочего спектра входного аналогового сигнала V1 Полученный цифровой сигнал V9 подают затем на цифровой прореживатель (DEC) (дециматор) 9 В ходе прореживания в блоке 9 осуществляют понижение частоты следования импульсов цифрового сигнала V9 до требуемой заданной выходной частоты дискретизации В результате прореживания 9 получают требуемый выходной цифровой сигнал V10, представляющий собой квантованные дискретные выборки (отсчеты) входного аналогового сигнала V1, 41976 ограниченного цифровыми фильтрами 7 и 8 заданной полосой частот [F1, F2] Результирующее снижение погрешностей промежуточного аналого-цифрового преобразования, возникающих в блоке 5 достигается за счет того, что погрешности преобразования и нелинейные искажения промежуточного аналогового сигнала V5 носят случайный (некоррелированный) характер С другой стороны, частотные информативные составляющие спектра модулированного сигнала V5 сильно коррелированы между собой Поэтому осуществляемое затем цифровым угловым демодулятором 6 интегральное свертывание широкополосного промежуточного сигнала V6 в узкополосный выходной сигнал V7 осуществляют путем суммирования сильно коррелированных спектральных составляющих полезного модулированного сигнала V5, в то время как составляющие спектра помех и шума коррелированы слабей и не влияют на выходной сигнал V7 демодулятора 6 Для реализации всех преимуществ заявляемого способа на практике целесообразно выбирать среднюю мгновенную частоту F6 и девиацию мгновенной частоты DF2 сигнала V2 при входной угловой модуляции 1 существенно (в десятки или сотни раз) выше максимальной частоты F11 входного сигнала V1 В таком случае осуществляют так называемую "широкую" угловую модуляцию с индексом модуляции намного большим единицы При этом ширина эффективного частотного спектра [F4, F8] модулированного сигнала V2, становится, как известно, примерно равна максимальной полосе качания его мгновенной частоты [F5, F7] (удвоенной максимальной девиации), а амплитуды спектральных составляющих крайних частот F3 и F9 полного спектра промежуточного сигнала V2 (фиг ЗА) невелики по сравнению с амплитудами спектральных составляющих эффективного спектра [F4, F8] и не оказывают существенного влияния на информацию о его мгновенной частоте Это позволяет ограничить частотный спектр модулированного сигнала V2 полосой [F3, F9], дискретизировать и демодулировать сигнал V2 без существенных потерь полезной информации Операцию угловой модуляции блоком 1 осуществляют с целью расширения спектра [F10, F11] преобразуемого аналогового сигнала V1 до полосы [F3, F9], что в ходе дальнейшей обработки сигнала по заявляемому способу, связанной с сужением частотного спектра, ведет к снижению искажений, возникающих в ходе промежуточного аналого-цифрового преобразования сигнала 5 Кроме того, операция модуляции 1 обеспечивает линейность и непрерывность нагрузки источника входного сигнала VI и способствует независимости последующих операций от амплитуды входного сигнала, что также повышает точность преобразования Указанная операция аналоговой частотной фильтрации в блоках 3 и 4 может быть реализована одним устройством - аналоговым полосовым фильтром 10 (на фиг 1 показан пунктиром) с полосой пропускания [F3, F9], не меняя сущности и достоинств заявляемого способа В частном, наиболее желаемом случае, когда граничные частоты F3 и F9 преобразуемого спектра модулированного сигнала V2 выбраны таким образом, что частоты F9 и F3 кратны их разности F9-F3, частоту дискретизации в блоке 5, как известно [5], можно выбрать равной или превышающей не частоту F9, а разность частот F9F3 Такое снижение частоты дискретизации позволяет упростить промежуточный аналого-цифровой преобразователь 5, а также цифровой демодулятор 6 и цифровые фильтры 7 и 8 По мнению автора, оптимальной разрядностью выходного сигнала V6 промежуточного аналого-цифрового преобразователя 5 является 8 10 бит, что является достаточным для последующей устойчивой цифровой демодуляции 6 и, с другой стороны, не является сложным при практической реализации и промышленном производстве преобразователей по заявляемому способу Вид квантования сигнала V5 и кодирования результирующего цифрового сигнала V6 в процессе промежуточного аналого-цифрового преобразования 5 выбирают, исходя из удобства для дальнейшей цифровой демодуляции сигнала V6 Для реализации всех преимуществ заявляемого способа на практике целесообразно выбирать цифровой поток сигнала V6 на выходе блока 5 в десятки или сотни раз выше требуемого цифрового потока выходного сигнала V10, что обеспечивает повышенную точность при демодуляции 6 и цифровой фильтрации 7 и 8 Указанная операция фильтрации в блоках 7 и 8 может быть реализована одним устройством цифровым полосовым фильтром 11 (на фиг 1 показан пунктиром) с полосой пропускания [F1.F2], не меняя сущности и достоинств заявляемого способа Существенным отличием заявляемого способа от известного способа "напряжение-частота" является интегральный характер демодуляции, осуществляемой в блоке 6 При этом в заявляемом способе обрабатываются не только моменты появления фронта импульса промежуточного сигнала V6, но также и амплитуда (величина кода) импульса Таким образом, в то время, как известный способ "напряжение-частота" использует информацию о пересечении промежуточным частотномодулированным импульсным однобитовым сигналом заданного уровня, в заявляемом способе учитывается весь информативный поток промежуточного сигнала V6, отражаемый площадью под графиком модулированного аналогового сигнала V5, что увеличивает скорость и точность преобразования Заявляемый способ обладает следующими дополнительными преимуществами перед известными 1) точность преобразования практически зависит только от точности входного углового (частотного, фазового) модулятора и не зависит от остальных частей тракта преобразования, так как погрешность дальнейшего (цифрового) преобразования сигнала при современном уровне цифровой схемотехники можно сделать существенно меньшей по сравнению с погрешностью входного аналогового модулятора, 41976 2) точность преобразования практически не зависит от уровня входного сигнала, что увеличивает точность преобразования низкоуровневых сигналов, 3) входной аналоговый сигнал не подвергается непосредственному измерению (дискретизации, квантованию), что не вызывает его коммутационных искажений и уменьшает негативное влияние внутреннего импеданса источника входного сигнала, 4) погрешности, возникающие на стадии промежуточного аналого-цифрового преобразования оказывают малое (в отличие от известных) влияние на точность выходного сигнала, 5) при практической реализации динамический диапазон и разрядность промежуточного аналого-цифрового преобразователя допускаются существенно ниже по сравнению с требуемой выходной разрядностью всего преобразования, что резко снижает сложность и повышает надежность устройства, реализующего заявляемый способ, увеличивает его температурную и временную стабильность, 6) максимальная частота входного сигнала допускается существенно больше верхней границы требуемого ограничения спектра и значительно больше, чем при известных способах преобразования, что расширяет область применения преобразователя, и вследствие чего 7) уровень затухания входного аналогового фильтра допускается намного ниже обычного, входной фильтр может быть существенно упрощен или вообще исключен, что улучшает амплитудно-частотную, фазо-частотную и динамическую характеристики преобразования, 8) требуемое для выполнения условий теоремы отсчетов ограничение спектра входного сигнала производят цифровыми средствами, что не вносит существенных искажений и способствует увеличению чувствительности преобразователя, а также уменьшению погрешностей, 9) стабильность преобразования зависит от стабильности только входного углового модулятора и может быть достаточно высокой при использовании кварцевой стабилизации При практической реализации заявляемого способа все указанные операции преобразования выполняют по известным СПОСОБАМ Например, промежуточный аналого-цифровой преобразователь 5 может быть выполнен по параллельному способу Входной модулятор 1 по заявляемому способу может быть реализован известным [6] комби нированным способом частотной модуляции, при котором объединяют кварцевый генератор с фазовым модулятором и интегратором в одно устройство Это позволяет создать высокостабильный генератор для частотной модуляции с возможностью передачи широкого спектра частот модулирующего сигнала Относительная долговременная нестабильность частоты такого устройства составляет 10-6, а кратковременная нестабильность - не более 10-9 При этом обеспечивается уровень нелинейных искажений около 0,01 % при девиации частоты ±10 MHz, средней частоте выходного сигнала 50 70 MHz и нелинейности амплитудно-частотной характеристики ±0,2 dB в диапазоне частот входного сигнала от 1 Hz до 14 MHz Указанные параметры известных аналоговых частотных модуляторов достаточны для реализации заявляемого способа в аналого-цифровых преобразователях с требуемой выходной разрядностью 20 22 бит и частотой дискретизации до нескольких мегагерц По мнению автора, выигрыш заявляемого способа по повышению точности преобразования можно приблизительно оценить по известной [3] формуле преимущества частотной модуляции перед амплитудной вследствие расширения частотного диапазона и интегрального частотного детектирования (демодуляции) Например, для входного аналогового звукового сигнала со спектром от 20 Hz до 20 kHz, при реализации входной частотной модуляции промежуточного сигнала с девиацией частоты 2 MHz (расширение спектра в 100 раз) и использовании промежуточного аналого-цифрового преобразования с разрядностью на 8 бит ниже требуемой выходной (например 8 бит промежуточного сигнала V6 вместо выходных 16, или 12 бит вместо выходных 20), промежуточное снижение разрядности (разрешения) высокочастотного цифрового промежуточного сигнала V6 (по фиг 1А) составляет 256 раз (потеря 8 бит) Результирующее повышение разрешения вследствие подавления систематических и случайных погрешностей, полученное вследствие сужения спектра промежуточного сигнала в процессе дальнейшей цифровой демодуляции в блоке 6, составляет около 30000 раз, что дает результирующее снижение погрешностей в выходном сигнале V10 при реализации заявляемого способа более, чем в 100 раз 41976 V(t) n 41976 V2 w t I V(t)4 (A) (Б) V(t) (B) V(t) V6 г.і V(t) »- - , ) __ F (D vto 4 ^* 1 /і VI 1 L " - • ) V- - -I Фиг. 2 ) (Д) 41976 S2(f) Fii F10 Фиг. ЗА V(t) J(V5) J(V6) > t \ Фиг. ЗБ Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3-72-89 (03122) 2-57-03 10

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Method for analog-digital conversion

Автори англійською

Podoliak Serhii Yuriiovych

Назва патенту російською

Способ аналого-цифрового преобразования

Автори російською

Подоляк Сергей Юрьевич

МПК / Мітки

МПК: H03M 1/64, H03M 1/12

Мітки: аналого-цифрового, спосіб, перетворення

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/10-41976-sposib-analogo-cifrovogo-peretvorennya.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб аналого-цифрового перетворення</a>

Подібні патенти