СТАЛЬЧЕНКО ОЛЕКСАНДР ВОЛОДИМИРОВИЧ АНАЛОГО-ЦИФРОВІ ТРАКТИ ПЕРЕТВОРЕННЯ ВИСОКОЧАСТОТНИХ СИГНАЛІВ З КОРИГУВАННЯМ НЕЛІНІЙНОСТІ

brief description

Міністерство освіти і науки України
Вінницький національний технічний університет

На правах рукопису

СТАЛЬЧЕНКО ОЛЕКСАНДР ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 004.3

АНАЛОГО-ЦИФРОВІ ТРАКТИ ПЕРЕТВОРЕННЯ ВИСОКОЧАСТОТНИХ СИГНАЛІВ З КОРИГУВАННЯМ НЕЛІНІЙНОСТІ

Спеціальність 05.13.05 комп’ютерні системи та компоненти

Дисертація на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Науковий керівник
Бортник Геннадій Гриорович
кандидат техн. наук, доцент

Вінниця 2015

ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ..

4

ВСТУП

5

РОЗДІЛ1 АНАЛІЗ НАПРЯМКІВ РОЗВИТКУ АЦТ ВИСОКОЧАСТОТНИХ СИГНАЛІВ З КОРИГУВАННЯМ НЕЛІНІЙНОСТІ

16

1.1 Аналіз нелінійності АЦТ ВЧ-сигналів..

16

1.2 Аналіз особливостей визначення нелінійності АЦТ...

21

1.3 Аналіз методів коригування нелінійності в швидкодійних АЦП ВЧ-сигналів...............................................................................................................

26

1.4 Аналіз принципів цифрового коригування нелінійності АЦТ...............

36

1.5 Вибір напрямків і постановка задачі досліджень.....................................

39

1.6 Висновки до розділу 1.................................................................................

42

РОЗДІЛ 2 МЕТОД ЦИФРОВОГО КОРИГУВАННЯ НЕЛІНІЙНОСТІ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ТРАКТУ.............................................................

44

2.1 Принципи цифрового коригування нелінійності АЦТ............................

44

2.2 Розробка математичної моделі нелінійності аналого-цифрового тракту в базисі дискретних функцій Фур’є.................................

49

2.3 Гістограмне оцінювання диференціальної нелінійності АЦТ................

55

2.4 Визначення нелінійності АЦТ на базі ДПУ...........................................

59

2.5 Аналіз ефективності методу коригування нелінійності АЦТ.................

68

2.6 Аналіз нелінійності тестового сигналу АЦТ............................................

74

2.7 Висновки до розділу 2.................................................................................

77

РОЗДІЛ 3 СИНТЕЗ ТА АНАЛІЗ ОСНОВНИХ АПАРАТНИХ І ПРОГРАМНИХ СКЛАДОВИХ АЦТ З КОРИГУВАННЯМ НЕЛІНІЙНОСТІ.................................................................................................

80

3.1 Розробка модифікованого методу аналого-цифрового перетворення високочастотних сигналів з додаванням додаткового шумоподібного сигналу................................................................................................................

80

3.2 Розробка базового АЦП аналого-цифрового тракту................................

91

3.3 Розробка генератора тестових сигналів....................................................

96

3.4 Синтез алгоритму цифрового оброблення сигналів АЦТ у базисі функцій Уолша..................................................................................................

102

3.5 Синтез алгоритму швидкого перетворення спектрів сигналу АЦТ з базису Уолша в базис Фур’є.............................................................................

107

3.6 Висновки до розділу 3.................................................................................

113

РОЗДІЛ 4 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАСОБІВ ПЕРЕТВОРЕННЯ ВЧ-СИГНАЛІВ В АЦТ.....................................................

116

4.1 Інженерна методика побудови АЦТ комп'ютерних систем цифрового оброблення ВЧ-сигналів...................................................................................

116

4.2 Розробка структурних схем АЦТ...............................................................

124

4.3 Комп’ютерне моделювання АЦТ перетворення ВЧ-сигналів...............

134

4.4 Результати експериментальних досліджень.............................................

144

4.5 Висновки до розділу 4 ......

150

ВИСНОВКИ...

152

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ.

155

ДОДАТКИ..

174

Додаток А. Комп’ютерна модель АЦТ з 12-розрядним АЦП, що
реалізує метод аналого-цифрового перетворення ВЧ-сигналів з
додаванням шуму.

175

Додаток Б Комп’ютерна модель АЦТ з 12-розрядним АЦП, що реалізує метод аналого-цифрового перетворення ВЧ-сигналів з додаванням шуму....................................................................................................................

176

Додаток В Зовнішній вигляд макета АЦТ з цифровим коригуванням нелінійності........................................................................................................

177

Додаток Г Зовнішній вигляд макета АЦТ з додатковим шумовим сигналом.............................................................................................................

178

Додаток Д Акти впровадження результатів дисертаційної роботи

179

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

АЦП - аналого-цифровий перетворювач
АЦТ - аналого-цифровий тракт
БЗП - буферний запам’ятовувальний пристрій
БК - блок керування
ВІС - велика інтегральна схема
ВСВ - взаємні спектральні відображення
ГТІ - генератор тактових імпульсів
ДПУ - дискретне перетворення Уолша
ДПФ - дискретне перетворення Фур’є
ІМС - інтегральні мікросхеми
ОЗП - оперативний запам’ятовувальний пристрій
ОМР - одиниця молодшого розряду
ПЗП - постійний запам’ятовувальний пристрій
ПК - персональний комп’ютер
ПЛМ - програмована логічна матриця
ТКЗ - таблиця коригувальних значень
ХП - характеристика перетворення
ЦАП - цифроаналоговий перетворювач
ЦОС цифрова обробка сигналів
ШПУ швидке перетворення Уолша
ШПФ швидке перетворення Фур¢є

ВСТУП

Актуальність теми. Розвиток і розширення сфер використання комп’ютерних систем оброблення високочастотних (ВЧ) сигналів неможливі без покращення характеристик засобів аналого-цифрового перетворення. Аналого-цифровий тракт (АЦТ), що є однією з найважливіших складових сучасних і перспективних комп’ютерних систем цифрового оброблення ВЧ-сигналів, в значній мірі встановлює їх граничні можливості як за швидкодією, так і за динамічним діапазоном. Тому удосконалення АЦТ ВЧ-сигналів відбувається як шляхом підвищення смуги частот перетворюваних сигналів, так і шляхом розширення динамічного діапазону.
Особливий інтерес до швидкодійних АЦТ з широким динамічним діапазоном обумовлений тим, що в багатьох комп’ютерних системах все частіше використовуються схеми прямого перетворення сигналів без проміжного перетворення частоти, активно розвиваються і широкосмугові пристрої. У більшості цих систем є важливим, щоб АЦТ мав широкий динамічний діапазон для однозначного реєстрування як сильних за рівнем, так і слабких сигналів. Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) є ключовим елементом АЦТ ВЧ-сигналів, що визначає його частотні характеристики. Але останніми роками ситуація з пропозиціями елементної бази швидкодійних АЦП радикально змінилась. Відбувається стрімкий прорив у галузі створення надшвидкодійних мікросхем АЦП. Тому основну увагу розробники комп’ютерних систем ВЧ-сигналів зосереджують на розширенні динамічного діапазону АЦТ.
Слід зазначити, що максимальний динамічний діапазон АЦТ у значній мірі залежить від частотної смуги вхідних сигналів. Так, 16-розрядні АЦТ з динамічним діапазоном до 96 дБ широко поширені для низькочастотних сигналів. Водночас для ВЧ-сигналів такий динамічний діапазон є недосяжним. Тому великий інтерес викликають АЦТ, які при заданій частоті дискретизації забезпечують широкий динамічний діапазон.
Задачами створення високопродуктивних АЦТ займались і продовжують займатись вітчизняні наукові школи О.Д. Азарова [1-6], А.І. Кондалєва[7-10]. Загальні принципи побудови АЦТ ВЧ-сигналів досліджувались науковою школою В.Б Смолова [11-13]. Розробленням методів покращення динамічних характеристик АЦТ займаються такі вчені, як Ю. Дженк [14, 15], М.М. Гельман [16-18], У. Кестер [19-24], В.О. Маковій [25 - 31], Х. Лундин [32-36].
Великий вклад у побудову швидкодійних інтегральних мікросхем (ІМС) аналого-цифрових перетворювачів (АЦП) з покращеними динамічними параметрами внесли БагданскісЕ.-А.К. та МарцинкявічусА.-Й.К. [37, 38]. Слід відзначити також дослідження ОстроверховаВ.В., які дозволили розкрити механізм обмеження динамічного діапазону АЦТ [39-42].
Значна кількість продукції світових лідерів аналого-цифрової техніки фірм Analog Devices, Burr-Brown, Maxim, Datel, Intersil, Linear Technology, National Semiconductor, Venta та Signal Processing Technologies є пристроями аналого-цифрового перетворення ВЧ-сигналів [43‑57]. Однак, використання відомих методів та підходів у швидкодійних АЦТ ВЧ-сигналів не дозволяють реалізувати потенційно досяжний динамічний діапазон. Це пояснюється тим, що реальні тракти аналого-цифрового перетворення ВЧ-сигналів вносять суттєві спотворення в цифрове представлення сигналів у вигляді паразитних спектральних складових, що обумовлені як нелінійністю окремих функціональних елементів АЦТ, так нелінійністю характеристики перетворення (ХП) усього тракту. У свою чергу, паразитні складові спектра, що виникають у вихідному сигналі АЦТ, призводять до обмеження динамічного діапазону тракту і відповідно комп’ютерної системи цифрового оброблення ВЧ-сигналів.
У зв’язку з вищенаведеним, розроблення нових методів і засобів підвищення лінійності характеристики перетворення АЦТ комп’ютерних систем, яким присвячена дисертаційна робота, є актуальною науковою задачею, розв’язання якої має важливе значення для науки та виробництва, оскільки сприяє вдосконаленню відомих і появі нових АЦТ ВЧ-сигналів з широким динамічним діапазоном.
Зв’язок з державними програмами, планами, темами науково-дослідних робіт. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до програм та планів науково-дослідних робіт у Вінницькому національному технічному університеті, а саме:
а) держбюджетної науково-дослідної роботи Розробка теорії та методології цифрового оброблення радіосигналів у реальному часі” (№ державної реєстрації 0111U001111);
б) держбюджетної науково-дослідної роботи „Розробка інформаційних пристроїв і засобів оцінювання джитеру на базі принципів нечіткого іммітанса та цифрового оброблення сигналів (№ державної реєстрації 0114U003463);
в) госпдоговірної науково-дослідної роботи „Розробка методики проектування цифрової системи передавання (№ державної реєстрації 0108U010135). Автор дисертації був виконавцем зазначених НДР.
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розширення динамічного діапазону аналого-цифрових трактів комп’ютерних систем оброблення високочастотних сигналів шляхом коригування нелінійності характеристики перетворення трактів.
Для досягнення поставленої мети розв’язуються такі задачі:
- аналіз сучасного стану розробок АЦТ високочастотних сигналів з коригуванням нелінійності, аналіз шляхів покращення динамічного діапазону тракту аналого-цифрового перетворення сигналів;
- удосконалення математичної моделі нелінійності аналого-цифрового тракту комп’ютерних систем цифрового оброблення ВЧ-сигналів, яка враховує вплив кожного рівня квантування на загальну нелінійність тракту;
- розроблення методу цифрового коригування нелінійності аналого-цифрового тракту високочастотних сигналів, у рамках якого формування коригувальних членів базується на обробленні вибірок тестового сигналу у часовому та частотному поданні;
-

bibliography

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі виконано дослідження, які присвячено розширенню динамічного діапазону АЦТ ВЧ-сигналів комп’ютерних систем шляхом коригування нелінійності характеристики перетворення тракту.
Основні результати досліджень такі:
1. Виконано аналіз принципів розширення динамічного діапазону АЦТ ВЧ-сигналів. Зроблено висновок, що на сучасному етапі розвитку теорії та техніки перетворення форми інформації актуальним і перспективним є створення нових методів і засобів, які базуються на методології цифрового коригування нелінійності АЦП і всього АЦТ. Цифрове коригування нелінійності полягає у введені в цифрову частину тракту проходження сигналу штучної нелінійності, при якій загальна ХП нелінійного АЦТ і коригувального нелінійного елемента стає більш лінійною.
2. Удосконалено математичну модель нелінійності аналого-цифрового тракту комп’ютерних систем цифрового оброблення ВЧ-сигналів, яка, на відміну від відомих, за рахунок використання базису дискретних функцій Фур’є, враховує вплив кожного рівня квантування на загальну розрядну нелінійність тракту, що зменшує масив оброблювальних даних до рівня окремих вихідних розрядів АЦТ і відповідно спрощує процес визначення реального динамічного діапазону АЦТ та підвищує наочність оцінювання рівня гармонічних спотворень сигналу у досліджуваному тракті.
3. Запропоновано новий метод цифрового коригування нелінійності аналого-цифрового тракту ВЧ-сигналів, який, на відміну від відомих, використовує оброблення вибірок тестового сигналу у часовому та частотному поданні для формування коригувальних членів. На першому етапі оброблення виконується гістограмне оцінювання диференціальної нелінійності АЦТ, а в подальшому виконується оброблення послідовностей, що відображають нелінійність АЦТ у базисі частотно-впорядкованих функцій Уолша, причому наявність інтермодуляційних складових не спотворює спектр Уолша і не знижує точності опису нелінійності АЦТ, що дає можливість виконати адекватне коригування ХП тракту та розширити його динамічний діапазон.
4. Отримано нові аналітичні вирази для оцінювання динамічного діапазону АЦТ з коригуванням, які, на відміну від відомих, враховують потужність завад, що є наслідком нелінійності характеристики перетворення, параметри вхідних сигналів і точність формування поправок, що дозволяє визначити ефективність методу цифрового коригування нелінійності АЦТ ВЧ-сигналів та обрати необхідний режим калібрування тракту. Аналіз залежностей для динамічного діапазону показав, що ефект від коригування зростає зі збільшенням нелінійності ХП АЦТ і при нелінійності 10 ОМР динамічний діапазон АЦТ з цифровим коригуванням на 17 дБ ширший, ніж в аналогічного АЦТ без коригування.
5. Удосконалено метод аналого-цифрового перетворення ВЧ-сигналів з додаванням додаткового шумоподібного сигналу, який на відміну від існуючих, використовує як додатковий вузькосмуговий шум, спектр частот якого знаходиться за межами частотного діапазону корисного сигналу і амплітуда цього шумового сигналу перевищує значення кроку квантування АЦП, а в цифровому вигляді цей же додатковий шум віднімається від вихідного сигналу АЦП, що призводить до розширення динамічного діапазону АЦП і підвищує ефективність коригування нелінійності ХП усього АЦТ. Виконано аналіз динамічного діапазону для запропонованого методу, який показав, що залежно від рівня нелінійності ХП АЦП спостерігається розширення його динамічного діапазону на 6÷16 дБ порівняно з АЦП, які не використовують додаткового шуму чи застосовують низькорівневий шумовий сигнал.
6. Здійснено синтез та аналіз основних апаратних і програмних складових АЦТ перетворення ВЧ-сигналів, а саме: розроблено структуру базового АЦП, аналіз ефективності якого згідно запровадженого узагальненого критерію дозволив стверджувати, що спостерігається покращення динамічного діапазону перетворювача при збільшенні числа розрядів, водночас його апаратурна складність у 2,38,3 рази нижча порівняно з існуючими АЦП зчитування; розроблено на основі таблично-алгоритмічного методу побудови структуру цифро-аналогового генератора тестових сигналів АЦТ, реалізація якого на базі принципу кусково-лінійної апроксимації при синтезі сигналу дозволяє ліквідувати основну перешкоду на шляху використання стандартних ПЗП у структурі генератора за рахунок різкого зменшення обсягу необхідної пам’яті; синтезовано алгоритм взаємних спектральних перетворень Уолша-Фур’є без реалізації алгоритму ШПФ, що дало можливість підвищити продуктивність оброблення залежно від обсягу вибірки у 2,52,88 рази.
7. Запропоновано інженерну методику побудови АЦТ перетворення ВЧ-сигналів, яка дала можливість розробити: структуру АЦТ, в якому застосовуються метод цифрового коригування нелінійності АЦТ, а також розробити блок-схему алгоритму калібрування ХП АЦТ, при цьому досягається широкий динамічний діапазон тракту; структуру АЦТ ВЧ-сигналів на базі модифікованого методу аналого-цифрового перетворення з додаванням шумоподібного сигналу, що характеризується широким динамічним діапазоном
8. Виконано комп’ютерне моделювання на рівні принципових електричних схем та експериментальні дослідження макетів АЦТ перетворення ВЧ-сигналів, а саме: 14-розрядного АЦТ з цифровим коригуванням нелінійності та 12-розрядного АЦТ з додатковим вхідним шумом. Виконані експериментальні дослідження підтвердили основні теоретичні положення роботи. Порівнянням результатів розрахунків динамічного діапазону розроблених АЦТ з експериментальними даними, отриманими на різних макетах і при комп’ютерному моделюванні, підтверджено достовірність запропонованих у дисертаційній роботі методів й аналітичних виразів. Запропоновані схемотехнічні рішення захищені патентами України.
9. Отримані результати роботи впроваджено у ПАТ Маяк” і у Вінницькому центрі технічного обслуговування та експлуатації ТОВ Атраком”, а також використовуються у навчальному процесі Вінницького національного технічного університету на кафедрі телекомунікаційних систем і телебачення.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Азаров О.Д. Аналого-цифрове порозрядне перетворення на основі надлишкових систем числення з ваговою надлишковістю: монографія / АзаровО.Д. Вінниця: ВНТУ, 2010. 232 с. ISBN 966-641-354-6.
2. Азаров О.Д. Конвеєрні аналого-цифрові перетворювачі з ваговою надлишковістю: монографія / АзаровО.Д., Шапошніков О.В., Захарченко С.М. Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2006. 157 с. ISBN 966-641-165-2.
3. КрупельницькийЛ.В. Аналого-цифрові пристрої систем, що самокоригуються, для вимірювань і обробляння низькочастотних сигналів: монографія / КрупельницькийЛ.В., АзаровО.Д.; під. заг. ред. О.Д.Азарова. Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2005 167с. ISBN 966-641-126-1.
4. АзаровО.Д. Основи теорії аналого-цифрового перетворення на основі надлишковмх позиційних систем числення: монографія / АзаровО.Д. Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2004 260с. ISBN 966-641-086-9.
5. АзаровО.Д. Високолінійні порозрядні АЦП з ваговою надлишковістю для систем реєстрації і обробляння сигналів: монографія / АзаровО.Д., АрхипчукО.А., ЗахарченкоС.М. Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2005. 125с. ISBN 966-641-112-1.
6. Азаров О.Д. Аналого-цифрові інтерфейси ЕОМ: навч. посіб. / АзаровО.Д., Марценюк В.П., Біліченко Н.О. Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2006. 178с. ISBN 966-641-176-8.
7. Преобразователи формы информации для малых ЭВМ / КондалевА.И., БагацкийВ.А., РомановВ.А., ФабричевВ.А. К: Наукова думка, 1982. 312с.
8. Высокопроизводительные преобразователи формы информации / А.И.Кондалев, В.А.Багацкий, В.А.Романов, В.А.Фабричев. К.: Наукова думка, 1987. 280с.
9. Преобразователи формы информации с обработкой данных / В.А.Багацкий, Ю.М.Грешищев, И.В.Самус, В.А.Фабричев; под. ред. А.И.Кондалева. К.: Наукова думка, 1992. 264с.
10. РомановВ.А. Параметры АЦП общего применения и быстродействующих АЦП / В.А.Романов // Электронные компоненты и системы. 2001. №8. С.24,25. ISSN1817-2369.
11. СмоловВ.Б. Микроэлектронные цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи информации / СмоловВ.Б., УгрюмовЕ.П., ШмидтВ.К.; под. ред. В.Б.Смолова. Л.: Энергия, 1976. 336с.