RU76529U1 - Конечно-разностный аналого-цифровой преобразователь - Google Patents

Abstract

Конечно-разностный аналого-цифровой преобразователь обладающий увеличенным значением предельного динамического диапазона преобразованных сигналов. Увеличение предельного динамического диапазона АЦП обусловлено наличием ступени дифференцирования входного аналогового сигнала, уменьшающей мгновенную величину сигнала, воздействующего непосредственно на элемент аналого-цифрового преобразования. Восстановление кодов отсчетов исходного входного сигнала производится математическими методами на основе цифрового сумматора.

Description

1. Название полезной модели

Конечно-разностный аналого-цифровой преобразователь радиосигналов.

2. Область техники, к которой относится полезная модель

Аналого-цифровой преобразователь предлагаемого типа применим для преобразования аналоговых сигналов в цифровые коды отсчетов и может быть использован в широком классе электронных устройств обработки радиосигналов.

3. Уровень техники

Предлагаемое решение предназначено для увеличения предельного динамического диапазона входных сигналов микросхем аналого-цифровых преобразователей.

В практике применения аналого-цифровых преобразователей для достижения большего предельного динамического диапазона преобразуемых сигналов используют непосредственно подходящие микросхемы преобразователей.

Для увеличения динамического диапазона при аналого-цифровом преобразовании видеосигналов применяют аналого-цифровые преобразователи с логарифмической характеристикой преобразования.

Аппаратных решений для увеличения предельного динамического диапазона при недеструктивных аналого-цифровых преобразованиях радиосигналов неизвестно.

4. Раскрытие полезной модели

Сведения, раскрывающие сущность полезной модели.

В теории сигналов известно, что динамический диапазон широкополосных радиосигналов зависит от ширины спектра и энергии сигнала. Для детерминированных радиосигналов с ограниченным

спектром, динамический диапазон сигнала производной S'(t) в среднем на 12 дБ меньше динамического диапазона исходного радиосигнала S(t).

Для дискретных систем, когда сигнал представлен в виде выборок, при замене производных конечными дифференциалами динамический диапазон модифицированного (оператором дифференцирования) сигнала может быть еще более уменьшен при увеличении частоты дискретизации.

т.е. при уменьшении Δt разность в числителе тоже уменьшится, т.к. величина производной определяется видом сигнала и от параметров системы не зависит.

т.е. (S_k+1-S_k)→0, при Δt→0.

Т.е. абсолютная разница между двумя последующими выборками тем меньше, чем меньше временной интервал между ними - период дискретизации - Δt.

В предлагаемой модели предлагается непосредственно аналого-цифровому преобразованию подвергать абсолютную разность между каждыми двумя последующими выборками в потоке дискретного сигнала. Т.е. на вход аналого-цифрового преобразователя предлагается подавать сигнал функции дифференциала входного сигнала.

Расчеты показывают, что динамический диапазон сигнала дифференциала уменьшается во столько раз, во сколько раз уменьшается период дискретизации сигналов - Δt. При этом на цифровом выходе аналого-цифрового преобразователя, при воздействии на аналоговый вход

сигналов дифференциала S_k+1-S_k, будут наблюдаться коды сигнала дифференциала - z′_k. Для получения кодов исходного радиосигнала необходимо выполнить операцию численного суммирования

Данный подход обусловлен тем, что в дискретных моделях сигналов, операция суммирования эквивалентна операции интегрирования в непрерывных моделях. Т.е. при последовательном выполнения операторов дифференцирования и интегрирования над непрерывной функцией, не происходит искажения исходной непрерывной функции. Здесь, для получения цифровых кодов отсчетов радиосигналов, предлагается последовательно выполнить операцию аналогового дифференцирования, аналого-цифрового преобразования и операцию численного суммирования.

Структурная схема предлагаемой модели конечно-разностного АЦП приведена на рисунке 1.

Последовательность операций преобразования сигналов в предлагаемой модели аналого-цифрового преобразования:

- аналоговое дифференцирование входного радиосигнала;

- аналого-цифровое преобразование дифференцированного радиосигнала;

- восстановление суммированием цифровых отсчетов исходного радиосигнала из отсчетов дифференцированного радиосигнала.

Предлагаемый конечно-разностный аналого-цифровой преобразователь состоит из последовательно включенного дифференцирующего звена,

элемента аналого-цифрового преобразования и цифрового суммирующего элемента.

Для радиосигнала, верхняя граничная частота спектра которого равна f_в, при использовании предлагаемого метода аналого-цифрового преобразования предельный динамический диапазон преобразователя увеличивается на величину L выражаемую в децибелах, определяемую по формуле:

где f_д - частота дискретизации, причем в соответствии с теоремой Котельникова [1],f_д≥2f_в. При этом предельный динамический диапазон аналого-цифрового преобразователя составит

,

где L_АЦП - динамический диапазон звена аналого-цифрового преобразоватния.

Признаки, используемые для характеристики полезной модели. Признаками является следующее:

- увеличенное значение предельного динамического диапазона конечно-разностного аналого-цифрового преобразователя, по сравнению с предельным динамическим диапазоном сигналов примененного звена аналого-цифрового преобразователя;

наличие аналогового дифференцирующего звена на входе преобразователя уменьшает динамический диапазон сигналов поступающих непосредственно на элемент аналого-цифрового преобразователя;

- наличие цифрового суммирующего звена на выходе преобразователя позволяет получать на выходе отсчеты неискаженного входного радиосигнала;

- данная модель аналого-цифрового преобразования радиосигнлоа инварианта к типу (методу преобразования, схемотехники и прочим

технически характеристикам) применяемого элемента аналого-цифрового преобразователя;

- динамический диапазон предлагаемого преобразователя может быть регулируемым с помощью установления нужной частоты дискретизации -f_д,

- предлагаемый аналого-цифровой преобразователь нечувствителен к наличию постоянной составляющей в спектре входного радиосигнала;

5. Краткое описание чертежей

Заявка содержит один чертеж, содержащий три риснука - «а», «б», и «в».

Чертеж 1 рисунок «а» - Структурная схема конечно-разностного аналого-цифрового преобразователя.

На данном рисунке применены следующие обозначения:

ЛЗ - линия задержки радиосигнала на время Δt. S(t) - радиосигнал сигнал на входе конечно-разностного аналого-цифрового преобразователя;

АЦП - звено аналого-цифрового преобразователя;

S′(t) - дифференциал входного сигнала;

z′_k - цифровой код отсчета дифференцированного сигнала S'(t);

z_k - цифровой код отсчета входного радиосигнала S(t).

Чертеж 1 рисунок «б» - структурная схема варианта реализации

широкополосного дифференцирующего звена.

На данном рисунке применены следующие обозначения:

ДУ- дифференциальный усилитель.

Чертеж 1 рисунок «в» - структурная схема варианта реализации линии задержки с помощью устройств выборки-хранения.

На данном рисунке применены следующие обозначения:

УВХ1 и УВХ2 - устройства выборки хранения;

S_д(t) - тактовый сигнал с частотой дискретизации f_д.

6. Осуществление полезной модели

Данная полезная модель реализуется в электронных устройствах преобразования радиосигналов в цифровую форму, для последующей обработки или запоминания копии радиосигнала.

Предлагаемую полезную модель возможно осуществить в интегральном либо распределенном печатном исполнении. В соответствии с описанием, предлагаемая модель аналого-цифрового преобразования содержит три функциональных элемента: дифференцирующее звено, звено аналого-цифрового преобразования и суммирующее звено. В случае распределенного исполнения на печатной плате электронного устройства располагают соответственно дифференцирующее звено, звено аналого-цифрового преобразования - соответствующую интегральную микросхему, и звено суммирования. Данная организация может быть перенесена в микроисполнение и топологически размещена на едином кристалле полупроводниковой интегральной схемы - в этом случае реализация будет интегральной.

Дифференцирующая звено реализуется с помощью различных подходов:

- широкополосный дифференциатор на линии задержки;

- цепь дифференцирования, передаточная характеристика которого в операторной форме описывается выражением , либо содержит данное выражение в качестве множителя.

Структурная схема широкополосного дифференциатора на лини задержки представлена на рисунке (б) чертежа1 и состоит ил линии задержки сигнала и дифференциального усилителя. Напряжение на выходе линии задержки повторяет напряжение на входе линии задержки смещенное на Δt по времени. Напряжение на выходе дифференциального усилителя пропорционально разности напряжений на входе и выходе линии задержки, т.е. пропорционально дифференциалу.

Линия задержки может быть реализована да двух последовательно включенных звеньев аналоговых устройств выборки-хранения - УВХ. Структурная схема линии задержки на УВХ представлена на рисунке (в) чертежа 1. Устройство выборки хранения сохраняет постоянным на выходе, т.е. осуществляет временную выборку, значение переменного напряжения воздействующего на вход в момент поступления фронта сигнала дискретизации S_д(t) на вход синхронизации УВХ. Период сигнала дискретизации , где Δt - значение времени задержки.

Цепь дифференцирования с передаточной характеристикой в операторной форме о , либо содержащая данное выражение в качестве множителя, может быть реализована в виде звена фильтра высоких частот, и при этом является относительно узкополосной.

Основным направлением внедрения данной полезной модели в технике является построение схемотехнических решений аналого-цифровых преобразователей сигналов с увеличенным предельным динамическим диапазоном на основе звеньев аналого-цифровых преобразователей с меньшим динамическим диапазоном.

Литература:

[1]. Баскаков С.И., «Радиотехнические цепи и сигналы». Высшая школа: 2003.

Claims (4)

1. Аналого-цифровой преобразователь сигналов и радиосигналов, отличающийся тем, что непосредственному аналого-цифровому преобразованию подвергаются абсолютная разность между величинами двух последующих дискретных отсчетов, а цифровой код отсчетов исходного радиосигнала восстанавливается с помощью сумматора.

2. Аналого-цифровой преобразователь сигналов по п.1, отличающийся тем, что разность между величинами двух последующих дискретных отсчетов вычисляется в аналоговом виде.

3. Аналого-цифровой преобразователь сигналов по п.1, отличающийся тем, что восстанавливающий сумматор выполнен в цифровом виде.

4. Аналого-цифровой преобразователь сигналов по п.1, отличающийся тем, что вычислитель разности величин двух последующих дискретных отсчетов выполнен на основе линии задержки, реализованной на двух устройствах выборки-хранения и дифференциальном усилителе.