МШЖА

Описание приемо-передающей техники, антенн, вспомогательных устройств, программного обеспечения

ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ: ВРЕМЯ ПРИШЛО

Совсем недавно, услышав о цифровой обработке сигналов, мы представляли себе огромные, заполненные тысячами микросхем шкафы, принимающие и расшифровывающие сигналы, передаваемые с аппарата, летящего к Марсу, или выделяющие из помех сигнал, отраженный от вражеского самолета, летящего за сотни километров от границ страны. И это в общем соответствовало истине. Стоимость устройств цифровой обработки была настолько высока, что использовать ее преимущества можно было только при решении задач, важность которых оправдывала все затраты.

Ситуация существенно не изменилась даже с появлением сравнительно дешевых и быстродействующих микропроцессоров. Дело в том, что микропроцессоры общего назначения, как это не странно, имеют весьма ограниченные математические возможности, сводящиеся к операциям сложения и вычитания. Операции умножения и деления либо вовсе отсутствуют (при необходимости их реализуют программно путем последовательных сложений или вычитаний), либо выполняются очень медленно В результате алгоритмы цифровой обработки сигналов, состоящие в основном из операций умножения, выполняются универсальными микропроцессорами недостаточно быстро. Есть и другие особенности этих алгоритмов, не позволяющие даже процессору 80486 эффективно обрабатывать в реальном масштабе времени сигналы с частотами более нескольких килогерц.

Другим фактором, сдерживавшим широкое распространение цифровой обра-ботю1, была дороговизна преобразователей аналоговых сигналов в цифровой код и обратно. Такие преобразователи, особенно при повышенных требованиях к быстродействию и точности, представляли собой сложные и капризные уст-

ройства, требовавшие индивидуальной настройки, повышенной стабильности питающих напряжений и температуры окружающей среды.

Теперь положение иное. Разработаны специализированные цифровые сигнальные процессоры, стр5Т<тура и система команд которых приспособлена к операциям генерирования и обработки сигналов. Имеются дешевые и простые в эксплуатации микросхемы аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей, быстродействие и точность которых позволяют обрабатывать сигналы в широком диапазоне частот и напряжений. Устройство цифровой обработки может быть выполнено б5т<валь-но на нескольких микросхемах и входить не только в состав сложных стационарных комплексов, но и малогабаритных переносных устройств вплоть до карманных радиотелефонов и пейджеров.

Цифровые сигнальные процессоры находят применение и во многих областях, не связанных напрямую со связью, радиолокацией и обработкой сигналов, но требующих скоростного выполнения сложных операций над большими массивами данных. Например, они могут эффективно обрабатывать изображения и другую графическую информацию, применяться в сложных управляющих устройствах типа сервоприводов промышленных роботов или блоков управления двигателями внутреннего сгорания.

Внедрение цифровой обработки сигналов в любительскую аппаратуру открывает новые возможности ддя творчества, так как изменять и совершенствовать алгоритмы обработки можно без всякой переделки однажды изготовленного устройства: узел, предназначенный для приема и декодирования RTTY, простой перезагрузкой программы превращается в приемник SSB сигналов или в устройство зашифровывания речевых сообщений.

Схема простого устройства цифровой обработки сигналов, выполненного на базе микросхем фирмы Texas Instrument, пригодного для экспериментов и встраивания в любительские разработки, показана на рис 1 Обрабатываемые сигналы можно подавать на любой из двух дифференциальных аналоговых входов, результирующий сигнал снимают с дифференциального аналогового выхода Диапазон входных и выходных напряжений плюс-минус 3 В Входное сопротив-

ление более 100 кОм Минимальное сопротивление нагрузки 600 Ом

Если помехозащищенность не очень важна, то входные сигналы можно подавать и по несимметричной схеме, при этом один из проводов каждой дифференциальной пары входов соединяют с общим проводом Выходной сигнал снимают с любого из выходных контактов Второй контакт в этом случае можно оставить свободным или снять с него противофазный сигнал

Аналоговый. интер(рейс BbixoS

OUT+

Фильтр

Приемная сепиия

Фильтр

I--------------------1

Внутреннее

опорное напрятете

Фильтр

(SIBJt}/X коррекция

I ;j

Передающая секция

Рис. 2

t t 1 t t

Vcc+ he- fBUD ВВНЛ Vpn

1 г

BEF mn

*-FSB *-лв

-MCLB *-SCLK -ШНР/Ш -BX

Микросхема аналогового интерфейса (английская аббревиатура AIC - analog interface circuit) Dl TLC32044 представляет собой законченное устройство аналого-цифрового и цифро-аналогового ввода-вывода, выполненное на одном КМОП кристалле Структурная схема TLC32044 показана на рис 2

В ее состав входят входной полосовой фильтр на коммутируемых конденсаторах, предотвращающий эффекты наложения спектра, 14-разрядный АЦП, высокоскоростной последовательный порт, работающий в четырех режимах, совместимых с сигнальными процессорами разных типов, 14-разрядный ЦАП и выходной восстанавливающий фильтр нижних частот Работу AIC синхронизирует сигнал MCLK Из него формируют все внутренние тактовые сигналы Устройство допускает многочисленные комбинации значений частоты MCLK, частот дискретизации входных и выходных сигналов и частот среза внутренних фильтров Все эти параметры можно из\1енить командами процессора

Входной фильтр состоит из фильтров нижних и верхних частот соответственно восьмого и четвертого порядка Фильтр выполнен на коммутируемых конденсаторах, но ему предществует фильтр непрерывного времени, улучшающий подавление сигналов на частотах вблизи верхних гармоник частоты

квантования Если фильтр верхних частот на входе не требуется, его можно исключить из сигнального тракта

Архитектура АЦП и ЦАП гарантирует отсутствие пропусков кодов и монотонность характеристики преобразования Напряжение внутреннего опорного источника выведено на один из выводов микросхемы и доступно для использования во внешних схемах На этот же вывод при необходимости можно подать внешнее опорное напряжение Раздельные источники питания и отдельные общие провода цифровых и аналоговых цепей минимизируют помехи и обеспечивают широкий динамический диапазон Кроме того, внутренние аналоговые цепи выполнены по дифференциальной схеме, что еще более уменьшает помехи

Выходной восстанавливающий фильтр также выполнен на коммутируемых конденсаторах и представляет собой фильтр нижних частот восьмого порядка, за которым следует фильтр второго порядка для коррекции частотных искажений вида (sm Х)/Х После них включен фильтр непрерывного времени, устраняющий остатки частоты квантования Встроенный корректирующий фильтр при необходимости может быть отключен по ко.манде процессора

AIC обменивается данными с сигнальным процессором через высокоскоростной последовательный порт по цепям DR