ES2198467T3 - Filtro digital de linea central. - Google Patents
Filtro digital de linea central.Info
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Abstract
UN FILTRO DE LINEA CENTRAL PARA UN RECEPTOR DE RADAR (50) ES UNA CASCADA DE UN FILTRO ANALOGICO (54A) Y UN FILTRO DIGITAL (58A). EL PROPOSITO DE LA CASCADA DE FILTRO ES FILTRAR FUERA TODO PERO UNA UNICA LINEA DE UN ESPECTRO PULSADO. LA SEÑAL SE PASA A TRAVES DEL FILTRO ANALOGICO, Y ENTONCES SOBRE MUESTREADA POR UN CONVERTIDOR ANALOGICO A DIGITAL (56A). UN FILTRO FIR RECORTADO RAPIDO SE USA COMO EL FILTRO DIGITAL (58A) PARA ELIMINAR LAS LINEAS NO DESEADAS RESTANTES. DESDE EL FILTRO ANALOGICO YA TIENE EL FILTRO COMPARADO CORRECTO CARACTERISTICO EN EL PASO BANDA, EL FILTRO DIGITAL PASO BANDA ESTA ENTREGADO Y NO SIMETRICO. DESPUES DEL FILTRADO DIGITAL, LA SALIDA DEL FILTRO ESTA DIEZMADA POR UN PROCESADOR DIEZMADO (60A) PARA SUMINISTRAR UNA RELACION DE DATOS DE SALIDA DESEADA.
Description
Filtro digital de línea central.
Esta invención trata de receptores de radar, y
más particularmente de un filtro de línea central que incluye un
filtro analógico de banda base combinado con un filtro digital.
Esta invención tiene una utilidad particular en
un receptor de radar transportado a bordo de un misil
aire-aire. Los filtros de línea central analógicos
son usados convencionalmente en el receptor, que tiene diversos
canales, cada uno de los cuales requiere un filtro de línea central.
Los filtros de línea central deben ser casi idénticos en
rendimiento. El muestreo digital a la frecuencia f_{s} de señales
continuas da lugar a valores de datos digitales que son iguales
para armónicos de f_{s}. Por ejemplo, no se puede explicar la
diferencia entre 0,9 f_{s}, 1,9 f_{s}, 2,9 f_{s}, 3,9 f_{s},
y así sucesivamente. Esto es llamado solapamiento, plegamiento, o
ambigüedad del espectro. El problema ocurre en dos señales típicas
o casos multitono, cuando una frecuencia alta que interfiere la
señal se repliega (o solapa) sobre el espectro cercano o sobre la
señal deseada. Un filtro antisolapamiento elimina las frecuencias de
solapamiento potenciales antes del muestreo digital. Entonces el
usuario conoce la frecuencia verdadera de la señal. Un filtro de
línea central clásico es como un superfiltro antisolapamiento
porque solamente deja pasar una región de frecuencias de interés
muy estrecha. Por lo tanto, antes del muestro digital, no hay
solapamiento espectral.
Las consideraciones de espacio (tamaño) limitan
el diseño de filtros analógicos, y la salida lenta de los filtros
analógicos hace inaceptable este tipo de filtro como filtro
antisolapamiento. Más aún, los filtros analógicos son relativamente
caros. Los filtros de línea central analógicos convencionales operan
en banda base, y mover la banda de frecuencias a una IF más alta
resultaría difícil, dado que la Q del filtro puede ser demasiado
alta. Además, es difícil conseguir los requisitos de ajuste de
canal debido al desplazamiento de la frecuencia.
El documento
US-A-4 809 203 describe un filtro
híbrido analógico-digital para desmultipliexado por
división de frecuencia. El documento en 1995 IEEE Communications
Magazine, Vol. 33, número 5, ``El cuello de botella de DSP'', por
R. Baines, páginas 46 a 54, y ``Convertidores analógicos a digital y
sus aplicaciones en receptores de radio'', por J. A. Wepman,
páginas 39 a 45, explican las propiedades de receptores de radio de
banda estrecha, y conceptos para filtros antisolapamiento en el
campo de programación lógica para radio.
Se describe un aparato de filtro de línea central
para filtrar todas las frecuencias, excepto una línea única en
f_{c} del espectro de frecuencias de una señal de impulso
caracterizada por una frecuencia de repetición de impulso (PRF). El
aparato de filtro de línea central incluye un filtro analógico de
banda base que tiene un ancho de banda de ruido característico
correspondiente a la PRF para filtrar la señal de impulso para
proporcionar una señal de filtro analógico. Un convertidor
analógico / digital es sensible a la señal del filtro analógico
para convertir la señal de filtro analógico en una señal de
convertidor digital, muestreando el convertidor la señal de filtro
analógico a un régimen más alto en comparación con el PRF, por
ejemplo, del orden de 30 a 1. Un filtro digital procesa las señales
del convertidor digital e incluye medios de ponderación para
aplicar pesos complejos (esto es, que tienen una parte real y una
parte imaginaria) a las señales del convertidor digital. El filtro
analógico y el filtro digital actúan en combinación para
proporcionar un filtro que tiene una respuesta de filtrado
compuesta característica que proporciona una banda de paso estrecha
centrada en f_{c}.
De acuerdo con un aspecto más de la invención, el
aparato de filtro incluye un procesador de diezmado para diezmar la
salida del filtro digital en un factor determinado. Este factor
puede ser igual a un valor entero que es el múltiplo de la PRF al
cual es muestreado el convertidor analógico / digital.
Estas y otras características y ventajas de la
presente invención serán más evidentes de la siguiente descripción
detallada de una realización de ejemplo de la misma, como se
ilustra en los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 es un diagrama de bloques
simplificado de un receptor de radar realizado de acuerdo con la
invención.
La Figura 2 ilustra la relación de la respuesta
del filtro analógico que comprende el receptor de radar de la
Figura 1 a la frecuencia de muestreo digital mínima, de acuerdo con
la invención.
La Figura 2 ilustra la respuesta en frecuencia
del filtro analógico de receptor del radar y su relación con las
frecuencias de solapamiento potenciales resultantes del proceso de
muestreo digital.
La Figura 3a ilustra un tren de señales de
impulsos de ejemplo.
La Figura 3b ilustra la envolvente seno x/x del
espectro del tren de impulsos alrededor de la frecuencia portadora
fundamental.
La Figura 4 ilustra las respuestas en frecuencia
del filtro analógico y del filtro FIR digital, respectivamente, que
comprende el receptor de la Figura 1, así como su respuesta
compuesta.
La Figura 5 muestra respuestas del filtro FIR de
ejemplo como una función de la frecuencia normalizada a 3.6
MHz.
La Figura 6 es un diagrama de bloques esquemático
simplificado de un filtro FIR de canal único que comprende el
receptor de la Figura 1, para un filtro FIR de ejemplo en 90 puntos
con un factor de diezmado de 30.
La Figura 7 es un diagrama de bloques de una
realización del filtro digital que comprende dos filtros FIR en
cascada con diezmado dividido entre las dos etapas.
La Figura 1 es un diagrama de bloques esquemático
simplificado de un receptor de radar 50 realizado según la
invención. El sistema de radar incluye una antena 40 que alimenta
las señales recibidas en forma analógica a la sección analógica 50A
del receptor. En esta realización de ejemplo, el receptor tiene
múltiples canales, e incluye un divisor de potencia 52 que divide y
distribuye la señal recibida a N canales, de los cuales solamente
uno (el canal A) está mostrado en la Figura 1. En cada canal, un
filtro de línea central analógico de banda base, por ejemplo el
filtro 54A, filtra la señal recibida. Como es bien conocido en la
técnica, la banda base es la base o la frecuencia verdadera de las
señales de información. En un transmisor de radio, las señales son
mezcladas (o multiplicadas) y moduladas en una frecuencia
portadora más alta para transmisión. Al ser recibidas, las señales
son desmoduladas en frecuencia de nuevo a la banda base. Para esta
aplicación de ejemplo, el filtro analógico necesita estar en la
banda base debido a la alta frecuencia del contenido de señales. La
tecnología de conversión analógica / digital actual limita las
aplicaciones para frecuencias de paso mayores. En general, sin
embargo, la invención puede ser empleada con un filtro digital a
continuación de un filtro de paso de banda (en ocr de
banda-base o paso-bajo) con un
convertidor analógico / digital suficientemente rápido.
Tras el filtrado mediante el filtro analógico
54A, la señal analógica es convertida a la forma digital por el
convertidor A/D 56A, y es pasada a la sección de proceso digital
50B del receptor 50. La señal digitalizada es entonces pasada a
través del filtro digital de línea central 58A y a continuación es
diezmada por el proceso de diezmado 60A. La salida diezmada del
filtro digital es pasada a un tratamiento posterior del receptor
convencional. En una realización de ejemplo, el filtro digital 58A
es un filtro de respuesta de impulsos finitos (FIR).
Típicamente, la señal recibida en la antena 40 es
el retorno de radar activo, y será un tren de impulsos a la
frecuencia o régimen de repetición de impulsos del transmisor
(PRF).
Un receptor de radar convencional muestrea el
tren de impulsos entrantes a la PRF o algunas veces al doble de
PRF, después de que el tren de impulsos haya pasado a través del
filtro analógico de línea central. El muestreo del tren de impulsos
entrante puede ser realizado a la PRF y usando el tratamiento en
fase / cuadratura (IQ) se solapará a la PRF. Los sistemas más
sencillos con procesamiento matemático real deben muestrear a dos
veces la PRF para conseguir solaparse a la PRF. La contrapartida es
que los sistemas I/Q requieren dos convertidores A/D por canal,
contra solamente un convertidor A/D para el procesamiento real.
Mientras que en una aplicación de ejemplo, el sistema presente de
acuerdo con la invención usa procesamiento I/Q, la invención no
depende del procesamiento I/Q; dicho procesamiento solamente influye
en la velocidad A/D requerida y el número de convertidores A/D
requerido.
De acuerdo con esta invención, la señal recibida
es muestreada por el convertidor A/D 56A a un régimen muy alto
f_{s}, en una realización de ejemplo a un régimen de
aproximadamente 30 veces la PRF. La frecuencia de muestreo de la
señal de entrada f_{s} para el convertidor A/D es dictada por la
atenuación del filtro analógico que está eliminando las señales de
alta frecuencia indeseadas para evitar el solapamiento después del
muestreo, como se ilustra en la Figura 2. La frecuencia de muestreo
f_{s} es elegida de manera que el filtro analógico 54A haya
eliminado señales en el filtro de línea central +f_{s} y
-f_{s}. Esto es realizado con anterioridad al muestreo para
eliminar las regiones de solapamiento potenciales. Hay regiones más
altas (2f_{s}, 3f_{s}, etc.), pero claramente el primer
armónico en f_{s} es el más cercano y más crítico. Esto determina
el valor mínimo de f_{s}. La f_{s} seleccionada es el armónico
de PRF más bajo (NXPRF) mayor que f_{s} mínimo, en una
realización de ejemplo. Hacer f_{s} un múltiplo de PRF mayor que
f_{s} mínima es realizado por conveniencia al retroceder la
salida del filtro digital hasta un régimen de PRF deseado para
continuar el proceso, que es típicamente diferente de la PRF del
tren de señales de entrada. La PRF establecida para el
procesamiento posterior puede ser la misma que la PRF del tren de
señales de entrada, pero es usualmente diferente porque el régimen
del reloj del transmisor de señal será un reloj diferente que el
que es usado en el receptor.
En esta realización de ejemplo, el régimen del
reloj CLK para el convertidor A/D 56A es aproximadamente 30 veces
la PRF del tren de señales de entrada. Si la PRF del tren de
señales es, por ejemplo, 130 KHz, el régimen de muestreo A/D será de
aproximadamente 3,75 MHz. A esta alta frecuencia de muestreo, la
salida del filtro analógico combinada con la atenuación espectral
senx/x es suficiente para asegurar que el solapamiento no es un
problema. Así, el filtro analógico convencional con un ancho de
banda de ruido ajustada a la PRF es utilizado como un filtro
antisolapamiento cuando es combinado con sobremuestreo y filtrado
digital subsiguiente.
Un filtro ajustado maximiza la relación señal -
ruido de la señal de entrada al sistema. Un impulso de entrada de
duración en el tiempo t tiene un ancho de banda de ruido ajustado
proporcional a 1/t, por ejemplo 1 \mu a 1 MHz. Simplemente, un
filtro más ancho que el ancho de banda de la señal permite la
entrada de más ruido / señal. Un filtro más estrecho recorta tanto
el ruido como la señal. El filtro ajustado realiza el mejor trabajo
posible.
La señal de entrada pasa a través del filtro
analógico 54A y es entonces muestreada con el convertidor 56A, por
ejemplo un convertidor analógico a digital (A/D) de 12 bits, a
aproximadamente 3,75 MHz para una PRF de 130 KHz. El filtro digital
58A es un filtro de corte bien definido que elimina todas las
bandas espectrales indeseadas. Un tren de impulsos tiene un espectro
de bandas espaciadas a la PRF, que se atenúan en una envolvente
senx/x con un nulo a 1/t. El tren de impulsos está mostrado en la
Figura 3a. La envolvente senx/x con un espectro de líneas atenuado
se ilustra en la Figura 3b. La línea central es la línea a f_{0}
(la portadora fundamental). Las otras líneas no son deseadas. El
filtro digital 58A deja pasar solamente la línea central mientras
rechaza las otras líneas indeseadas.
La Figura 4 es un gráfico ilustrativo de la
respuesta en frecuencia del filtro analógico de línea central 54A,
la del filtro FIR 58A, y la respuesta en frecuencia compuesta de
los dos filtros 54A y 58A. Se puede observar que la respuesta
compuesta, para el filtro digital FIR que emplea pesos FIR
complejos, produce una banda de paso FIR asimétrica, así como una
banda de paso compuesta también asimétrica. La banda de paso de un
filtro está definida por una frecuencia de corte, usualmente de -3
db puntos (puntos de potencia un medio) en relación al máximo en la
ganancia de la banda (banda de paso). Sin embargo, en la Figura 4,
la frecuencia de corte se muestra como el punto de ruptura. Como el
filtro analógico 54A ya tiene las características de filtro
ajustadas correctamente a la banda de paso, la frecuencia de corte
superior de la banda de paso del filtro digital es deliberadamente
más alta que la del filtro analógico. La banda de paso compuesta o
en cascada del filtro es más estrecha que la banda de paso ya sea
del filtro analógico o del filtro digital.
La salida del filtro FIR 58A es entonces
diezmada, como se indica por el bloque de función de diezmado 60,
esto es, solamente es usada cada enésima salida del filtro FIR, de
manera que el régimen de datos hacia la siguiente etapa del
proceso, convencional, del receptor es idéntica a la del receptor de
radar convencional con un filtro analógico de línea central
convencional. El diezmado, aunque está ilustrado como una función
separada llevada a cabo en la sección de tratamiento digital 50B,
puede ser ejecutado con la función FIR en el procesamiento digital,
como será evidente para aquellos familiarizados con la técnica.
Fue realizada una simulación para demostrar que
un filtro digital en cascada con el filtro analógico consigue los
resultados deseados. Para la simulación, la respuesta del filtro
analógico fue reproducida en una simulación digital, y entonces
fueron probados varios modelos de filtro digital diferentes. Un
modelo de filtro digital era un filtro de respuesta de impulso
finito (FIR) simple de 90 puntos con diezmado realizado a la
salida. Los voltajes de muestreo A/D 56A son señales de variación
continua en el tiempo (analógicas) y las salidas un número en
puntos discretos en el tiempo (digital). Cada número a la salida del
convertidor A/D es llamado un punto. La Figura 5 muestra la
respuesta de tres filtros de FIR de 90 puntos como una función de
frecuencia normalizada relativa de 3,6 MHz, diferenciándose los
filtros solamente en el número de bits en los pesos. Así, son
mostradas las respuestas de los filtros de FIR que tienen 12 bits
definiendo los pesos, 14 bits definiendo los pesos, y pesos de un
punto flotante (número variable de bits).
La Figura 6 es un diagrama esquemático
simplificado de un filtro de FIR de simple canal de ejemplo,
teniendo la FIR 90 puntos con diezmado por 30. Se requieren en este
ejemplo tres FIR paralelas 5824A, 5826A y 5828A. En general, el
número de filtros de FIR requeridos, es decir el número mínimo, es
el mínimo entero mayor que el número de puntos dividido por el
factor de diezmado. Los pesos de FIR son valores complejos que
desplazan la banda de paso del filtro de FIR como se muestra en la
Figura 4. El diseño del filtro digital con pesos complejos permite
eliminar asimetrías en el ancho de banda de video analógico, lo que
no es posible usando diseños de filtro analógico.
La Figura 6 muestra la entrada de las primeras 90
muestras de datos en el filtro de FIR. Las muestras de datos son
introducidas sin retardo en el primer filtro 5824A, donde, las
muestras de datos son multiplicadas por el peso complejo. Un primer
retardo 5820A es aplicado a una réplica de las muestras antes de que
las muestras réplica sean introducidas en un segundo filtro de FIR
5826A, retardando las muestras en un período de tiempo igual al
necesario para producir 30 muestras, esto es un retardo de 30
muestras. Un segundo retardo 5822A es aplicado a otra réplica de
las muestras, en esta ocasión con una duración de 60 muestras,
antes de que las muestras retardadas sean introducidas en el tercer
filtro de FIR 5828A. Cada FIR aplica un peso complejo a cada
muestra, de manera que se desplaza la banda de paso del filtro como
se muestra en la Figura 4. Los respectivos acumuladores 5830A,
5932A y 5834A acumulan respectivamente 90 muestras de las salidas
de FIR respectivas. El diezmado ocurre a la salida de cada
acumulador, en el sentido de que solamente se produce una salida por
cada 90 muestreos en cada acumulador. Así, con tres FIRs, solamente
es producida un muestrea del filtro digital de línea central 58A
por cada 30 muestras tomadas por el convertidor D/A 56A. Este es un
régimen de datos de muestra equivalente al de los filtros de línea
central analógicos y receptores convencionales, que emplean
muestreo a la PRF. Dado que el régimen de muestreo D/A en esta
realización era de 30 veces la PRF, y solamente es proporcionada una
muestra de salida por cada 30 muestras de entrada, el régimen de
salida de datos es igual a la PRF.
La Figura 7 es un diagrama de bloques de una
realización de filtro digital que comprende dos filtros de FIR en
cascada 58A1 y 58A2, con el diezmado requerido repartido entre las
dos etapas. El primer filtro FIR 58A1 es un filtro de 18 puntos
diezmado por 6, seguido por un filtro FIR de 20 puntos 58A2 diezmado
por 5. El diezmado total en esta realización de ejemplo es
6x5=30.
Claims (8)
1. Un aparato de filtro de línea central para
filtrar todas las frecuencias del espectro de frecuencia excepto
una línea única a f_{c} de una señal de impulsos recibida
caracterizada por una frecuencia de repetición de impulso
(PRF), caracterizado el aparato de filtro por:
un filtro analógico de banda base (54A) que es un
filtro ajustado para el espectro de señales de la señal de impulso
recibida que maximiza la relación señal / ruido, para filtrar la
señal de impulsos recibida para proporcionar una señal de filtro
analógico;
un convertidor analógico a digital (56A) que
responde a la señal del filtro analógico para convertir la señal
del filtro analógico en una señal de convertidor digital,
muestreando el convertidor la señal del filtro analógico a un
régimen más alto en comparación con la PRF;
un filtro digital (58A) para procesar las señales
del convertidor digital, incluyendo el filtro digital medios de
ponderación para aplicar pesos complejos a las señales del
convertidor digital; y
en el cual el filtro analógico y el filtro
digital actúan en combinación para proporcionar un filtro que tiene
una respuesta de filtro compuesta característica que proporciona
una banda de paso estrecha a f_{c}.
2. Un aparato de filtro de acuerdo con la
Reivindicación 1, caracterizado además por un procesador de
diezmado (60A) para diezmar la salida del filtro digital (58A) en
un factor predeterminado.
3. Un aparato de filtro de acuerdo con la
Reivindicación 2, caracterizado además porque el convertidor
digital muestrea la señal del filtro analógico a un régimen igual a
n veces la PRF, y en el cual el factor predeterminado es igual a
n.
4. Un aparato de filtro de acuerdo con la
Reivindicación precedente, caracterizado además porque el
filtro digital (58A) es un filtro digital de Respuesta de Impulso
Finita (FIR).
5. Un aparato de filtro de acuerdo con cualquier
Reivindicación precedente, caracterizado además porque la
respuesta del filtro compuesto es asimétrica alrededor de la
frecuencia cero.
6. Un aparato de filtro de acuerdo con cualquier
Reivindicación precedente, caracterizado además porque el
filtro analógico (54A) es un filtro de paso bajo que tiene una
banda de paso de filtro analógico, determinando el régimen de
muestreo del convertidor analógico a digital (58A) las frecuencias
de solapamiento potencial, y siendo el régimen de muestreo
suficientemente alto para situar las frecuencias de solapamiento
potencial fuera de la banda de paso del filtro analógico, en el
cual el filtro analógico rechaza todas las frecuencias de
solapamiento potencial al régimen de muestreo del convertidor
analógico a digital.
7. Un aparato de filtro de acuerdo con cualquier
Reivindicación precedente, caracterizado además porque el
aparato es empleado en un receptor de radar.
8. Un aparato de filtro de acuerdo con cualquier
Reivindicación precedente, caracterizado además porque el
convertidor analógico a digital muestrea la señal del filtro
analógico a un régimen alto en comparación con la PRF.
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