SE463540B - Saett foer att i ett radiokommunikationssystem digitalisera godtyckliga radiosignaler samt anordning foer utoevande av saettet - Google Patents

Description

15 2D 25 30 463 548 ett tiotal millivolt. Samtidigt begränsas den acceptabla, maximala signalnívån av den tillgängliga matníngsspänningen till exempelvis +2,5 volt eller i händelse av diodringblandare, kanske ännu mindre exempelvis +25Û mV. Det dynamiska område för vilket signalen å ena sidan är mycket större än D.C. offset (blandarobalans) och å andra sidan mindre än mättnadsnivån kan vara så litet som 20 dB (decibel). Detta nödvändiggör nagon form av automatisk förstärk- ningsreglering för att bibehålla blandarens signalnivå i detta optimala omrâde. I fråga om en mottagare som maste acceptera slumpvis transmission av data i form av skurar från olika sändare, är det dock inte möjligt att med denna metod i förväg förutsäga den nödvändiga förstärkningen.

En ytterligare nackdel, som avser båda de ovan nämnda metoderna, är be- gränsad upplösning vid A/D-omvandlingen. Antag att en A/D-omvandlare har möjlighet att representera hela signalnivåområdet. Antag vidare att den högsta signalnivån kan vara lika med matníngsspänningen exempelvis 5 volt. En LSB-bit (Least Significant Bit) motsvarar då 5/256 volt, dvs ungefär 2D milli- volt. Detta betyder således att en signal understigande 2D mV inte upptäcks alls, under det att en signal på 320 mV endast digitaliseras till 4 bitars upplösning, vilket kanske inte räcker för efterföljande signalbehandling. Om 4 bitars upplösning i värsta fall är acceptabelt blir området för signalerna som kan behandlas, l6:l eller 24dB, vilket i radioapplikationer är ett mycket dåligt dynamikområde.

Radarmottagare är typiska exempel på system där det inte är praktiskt att använda automatisk förstärkningsreglering för att bibehålla mottagarens ut- signal inom snäva gränser, vilket beror på ett antal okända parametrar exempelvis avståndet till det reflekterande föremålet, dess storlek samt pulsens varaktighet. För detta ändamål utnyttjar därför en radarmottagare normalt en kedja av mellanfrekvensförstäikare kända som "logaritmiska förstärkare". En sådan anordning består av ett antal efter varandra mättande, kaskadkopplade förstärkare var och en försedd med en amplituddetektor (likriktare) vars utsignaler är avsedda att adderas. Anordningen arbetar på följande sätt: För de svagaste signalnívåerna på ingången mottar endast detektorn i slutet av kedjan en tillräckligt förstärkt signal för att själva kunna avge en utsignal. Denna förmåga ökar med ökande insignalnivå tills det tillhörande förstärkarsteget mättats. Vid denna punkt, och med korrekt val av förstärkning per förstär- 1D 15 2D 25 karsteg, börjar föregående förstärkaresteg i kedjan att motta tillräckligt stark signal för detektering och tar därmed över bidraget till utsignalen. För varje X dB ökning av insignalnivån, där X är 20 log 10 av spännings- förstärkningen per steg, flyttas mättnadspunkten bakåt ett steg i kedjan och ökar därvid den nettodetekterade utsignalen med en enhet. Den netto- detekterade utsignalen följer således ett ungefärligt rät linjeförhållande med logarítmen på insignalnivån. Det dynamiska område för vilket detta stämmer, begränsas bara av antalet förstärkarsteg och det termiska bruset. Sättet att digilisera den detekterade utsignalen för en därpå följande numerisk behandling i en anordning enligt ovan, är ej tillräckligt vid hantering av godtyckliga radiosignaler, eftersom den godtyckliga radiosignalens komplexa vektornatur går förlorad i en sådan sekventiell detekteringsprocess.

Sättet och anordningen som löser ovan nämnda problem kännetecknas av patentkraven och innebär införandet av en andra digitaliseringsprocess som arbetar på den mättade utgången av det sista förstärkarsteget i en förstär- g karkedja enligt ovan, vilket extraherar den vektorinformation som annars skulle gå förlorad. Därefter följer ett antal numeriska operationer på de två digitala kvantiteterna för att återställa signalens kompletta vektorkarakteristik. Detta kan utföras med hjälp av maskinvarulogik eller med programmerbara digitala signalprocessorer (mikroprocessorer). Digitaliseringsanordningen enligt upp- finningen, avsedd för sammansatta signaler med stort dynamiskt område innefattar således en logaritmisk förstärkarkedja liknande den typ som används vid radarmottagare, den detekterade utsignalen från förstärkaren digitaliseras genom en första A/D-omvandlare, varefter en andra A/D-omvandlare digita- liserar signalens vinkel eller fasinformation. Fasinformationen bevaras genom utnyttjande av en noggrant utformad kedja av mättande förstärkare, och är tillgänglig på den mättade utgången av det sista förstärkarsteget i vilken punkt signalen har erhållit en konstant nivå, alla amplitudvariationer är därvid eliminerade. Det exakta sättet att extrahera fasinformationen i form av en numerisk kvantitet, är ej föremål för patentansökan och beskrivs därför ej.

Fördelarna med sättet och anordningen enligt uppfinningen är att lösa ett inom radiokommunikationsområdet besvärligt problem, på ett tekniskt okomplicerat sätt, och att därvid uppnå stor noggrannhet till en låg kostnad.

'IÛ 15 20 25 F IGURBESKRIVNING Anordningen enligt uppfinningen beskrivs närmare härnedan med hjälp av ett utföringsexempel under hänvisning till bifogad ritning i vilken Figur l utgör ett blockschema över anordningen enligt uppfinningen och Figur2 i förenklad schematisk form visar en variant av en förstärkarkedja enligt figur 1.

F ÜREDRAGEN UTFÜRINGSFORM I beskrivningen beskrivs ett nytt sätt att digitalisera sammansatta signaler samt en anordning för att utföra sättet. Ett komplext tal kan uttryckas antingen i kartesisk (x,y) form eller i polär (R, THETA) form. Det är enkelt att översätta mellan de två formerna med hjälp av ekvationerna ><=R cos (THETA); Y=R sin (THETA) Alternativt kan med fördel användas den logpolära formen (r,THETA) där r=log (R). Följande transformation gäller da (x,y) =exp (r + j THETA); (r,THETA)= log (x,y).

Dessa ekvationer visar att om man har ett värde på logarítmen för den komplexa vektorns (r) amplitud och ett värde pa den komplexa vektorns vinkel (THETA), sa är det möjligt att rekonstruera den komplexa vektorns kartesiska komponenter om sa önskas.

Digitaliseringsanordningen enligt uppfinningen för komplexa signaler med stort dynamiskt omrâde, utnyttjar principen som visas i figur 1. En förstärkarkedja A bestående av ett antal progressivt detekterande förstärkare mottar på ingången IN till första förstärkaren i kedjan, den signal som skall behandlas omvandlad till en lämplig mellanfrekvenssignal.

Lämpliga logaritmiska förstärkare finns tillgängliga i form av integrerade kretsar. Varje steg i ovannämnda förstärkarkedja består av en sådan krets av typ SL 521 A fabrikat Plessey Semiconductors. Det är även möjligt att erhalla alla förstärkarsteg i en enda krets exempelvis Signetics SA 604.

'IÛ 15 20 25 30 35 få a» cN f :1 ß i Till var och en av utgångarna från förstärkarstegen är ansluten en för respektive steg separat detektor (likriktare) i form av en diodkrets. Detektor- utgångarna är samtliga anslutna till en summationskrets S typ LF 157 A fabri- kat National Semiconductors i vilken värdena från varje detektorkrets sum- meras och avges i form av en summerad utsignal från utgången av summations- kretsen. Nämnda utgång är ansluten till en ingång på en första snabb analog/digitalomvandlare AD l exempelvis av typ MP 7683 (Micropower Systems). LOG-amplituden, kvantiserad till N bitar, avges från utgångarna på A/D-omvandlaren och tillförs ett första antal ingångar på en digital signal- processor MP. N måste vara tillräckligt stor för att täcka det önskade dynamikområdet i tillräckligt små steg för den aktuella tillämpningen. Till exempel, om ett signalvariationsområde på 128 dB skall täckas och N = 8 bitar, blir kvantiseringsstegens storlek 128/28 = 0,5 dB. Stegstorleken maste vara till- räckligt liten för att reducera kvantiseringsbruset till en nivå som är avpassad för tillämpningen ifråga. I denna patentansökan redogörs inte närmare för kvantiseringstekniken som sådan eftersom den redan är känd och ligger utanför uppfinningstanken.

På en utgång C från förstärkarkedjan är signalen så kraftigt förstärkt att den uppträder hårdbegränsad (klippt) dvs förstärkarna är så utstyrda att signalen omvandlats till en tvånivåsignal, en fyrkantvåg av omväxlande hög eller låg nivå. Denna signal bevarar den ursprungliga signalens fasvinkelinformation vid klockning (timing) av Övergångarna mellan de två signalnivåerna. Den exakta metoden för att extrahera fasvinkelinformationen i numerisk form är inte föremål för denna ansökan, men kan exempelvis utföras med hjälp av en lämplig fasdetektor som jämför den hårdbegränsade fyrkantvågen med en referens- fyrkantvåg och därefter alstrar en ananlog spänning som är proportionell mot fasskillnaden, varefter signalen måste digitaliseras i en analog/digital- omvandlare. Signalen från sista förstärkarstegets utgång C tillförs en ingång på en andra A/D-omvandlare AD2 i vilken signalens fasinformation kvantiseras till M bitar och överförs från A/D-omvandlarens utgångar till ett andra antal ingångar på den digitala signalprocessorn MP. Processorn kan vara en mikro- processor av fabrikat TEXAS INSTRUMENTS typ TMS 320 C 25 eller liknande.

Vilken mikroprocessor som helst som kan utföra den log-polära/kartesiska tranformationen tillräckligt snabbt för tillämpningen kan användas, om detta är den form som krävs för fortsatt signalbehandling. 'De kartesiska signal- 10 15 ZÜ 25 30 i \ (IJ (Il CD Û'\ komponenterna avges på mikroprocessorns utgångar som framgår av figur 1. I anordningen enligt figur l är förstärkarkedjans bandbredd med nödvändighet begränsad för att förhindra en alltför kraftig uppbyggnad av brus. Detta medför att signalens fortplantning genom förstärkarkedjan fördröjs, vilket i sin tur betyder att bidragen fran vart och ett av detektorstegen fördröjs fortlöpande.

För att inte störningar skall införas vid snabba variationer i signalamplituden, kan det bli nödvändigt att korrigera för denna relativa fördröjning före sum- meringen.

Eftersom det är en viktig egenskap hos anordningen enligt uppfinningen att digitalisera ögonblickliga envelopförändringar i signalen, kan systemet, för att kompensera för nämnda relativa fördröjning, inkludera en fördröjnings- ledning DL med avtappningar på vissa tidsavstånd. I figur2 visas en sådan fördröjningsledning ansluten till förstärkarkedjans detektorutgångar. Tapp- arna Tl-Tn är automatiskt inställbara för kompensering av fördröjningen i förstärkarna. Utsignalerna från tapparna summeras därefter och tillförs nämnda första A/D-omvandlare ADl. Exempel på andra kompensationsmetoder är ut- nyttjandet av switchade kondensatorer eller annan CCD-teknik (Charge Coupled Device) eller alternativt digitalisering av utsignalerna fran varje förstärkarsteg eller grupper av förstärkarsteg separat med hjälp av samplande klocksignaler, varefter de separata värdena adderas digitalt. Taktgivning för synkronisering och sampling sker på känt sätt med hjälp av en på ritningen ej utritad men antydd systemklock CL.

I känd teknik extraheras amplitudinformationen endast sällan och då med ändamålet att fastställa signalens långstidskvalitet, inte med avsikt att åter- upprätta signalens vektorkaraktär vilket är avsikten med anordningen enligt uppfinningen. För att åstadkomma detta krävs, som framgår av denna patent- ansökan, att signalens amplitud och fasvinkel digitaliseras synkront med samma samplingshastighet och att värdena hålls samman i par för varje sampel med den avsikten att till fullo rekonstruera radiosignalens momentana, sammansatta vektorsekvens för användning i den fortsatta signalbehandlingen.

Claims (3)

10 15 10 15 KÄ (h (ml C >. i D PATENTKRAV

1. Sätt för att i ett radiokommunikationssystem digitalisera godtyckliga radiosignaler, representerade av sammansatta (komplexa) vektorer vilka genom nämnda radiosystem utsätts för störningar så att informationen i de samman- satta signalerna går förlorad, på sådant sätt att informationen i de av störningarna påverkade signalerna till fullo återställa, k ä n n e t e c k n a d därav att för att vid samtidig digitalisering av en första delmängd av signalen vilken delmängd är ungefärligen proportionell mot loga- ritmen i den momentana signalamplituden och en andra delmängd avseende signalens momentana fasvridning, återskapa nämnda information, signalerna utsätts för en stegvis anordnad förstärkning och detektering varefter de detekterade signalerna summeras varpå signalen digitaliseras i ett första steg varvid signalernas amplitudkomponenter urskilja, och att samtidigt signalen förstärkt men odetekterad digitaliseras i ett andra steg varvid signalens faskomponenter urskilja, och att de sålunda digitaliserade signalkomponenterna parvis utsättts för en numerisk behandling för återställande av den godtyckliga radiosignalens kompletta sammansatta vektorsekvens.

2. Anordning för utförande av sättet enligt patentkrav 1 för att i ett radio- kommunikationssystem digitalisera godtyckliga radiosignaler, representerade av sammansatta (komplexa) vektorer vilka genom nämnda radiosystem utsätts för störningar så att information i de de sammansatta signalerna går förlorad, på sådant sätt att informationen i de av störningarna påverkade signalerna till fullo återställa, k ä n n e t e c k n a d därav att en flerstegs logaritmisk förstärkare (A) på ingången tar emot nämnda radiosignaler och förstärker dessa, och att varje steg i förstärkaren är anslutet till en separat detektorkrets (D) och att infor- mationen från var och en av detektorkretsarna adderas i en adderingskrets (S) vars utgång är ansluten till ingången på en första analog/digital-omvand- lare (ADl) för omvandling av amplitudkomponenterna till en N-bitars binär kod, och att radiosignalerna i förstärkt men odetekterat skick ansluts från den mättade utgången på sista förstärkarsteget till ingången på en andra ana- log/digital-omvandlare (AD2) för omvandling av faskomponenterna till en M-bitars binär kod varefter de digitala värdena från utgångarna på respektive AD-omvandlare (ADl,AD2) är anslutna till olika uppsättningar av ingångar på C\ (;~l O 1 _12: CD en digital signalprocessor (MP) för numerisk behandling av de parvis mottagna digitala värdena så att signalens kompletta vektorkarakterístik äter-ställs.

3. Anordning enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d därav att, en med hjälp tappar (Tl-Tn) avtappningsbar fördröjningsledníng (DL) är ansluten mellan detektorernas (D) utgångar och nämnda adderingskrets (5) för kompenseríng av löptidsfördröjning som uppstår vid signalernas fortskrídande genom den logaritmiska, flerstegs för- stärkar/detektorkedjan.