Ефремов И.А.

Владимирский государственный университет

имени А. Г. и Н. Г. Столетовых, Россия

Цифровая обработка радиосигналов

Благодаря высокоинтегрированной современной микроэлектронике можно достичь высокого качества приема и обработки радиочастотных сигналов, добиваясь при этом компактных размеров, малых токов потребления и небольшой стоимости конечного устройства. Основным компонентом, который лежит в основе построения различных трактов SDR (software defined radio, программно-контролируемое радио) приемника, является ЦСП (цифровой сигнальный процессор) или ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема). При помощи данных компонентов осуществляется фильтрация, преобразования и демодуляция радиочастотного сигнала.

Необходимо отметить, что для получения качественных результатов цифровой обработки сигналов немаловажно качество работы системы преобразования радиочастотных сигналов. Необходимо использовать качественный тракт промежуточной частоты, обладающий достаточно высокой избирательностью, вносящим минимальные нелинейные искажения, а также высокую скорость перестройки. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой используется АЦП. После получения цифрового сигнала необходимо произвести множество преобразований, необходимых для получения качественного сигнала на выходе. Для этого используется цифровая обработка сигналов. Рассмотрим основные функции, которые может выполнять цифровой процессор в SDR приемнике.

1. Децимация – это дискретизация с частотой много меньше одной четверти частоты Найквиста (либо много меньше половины частоты сигнала). Например, если частота сигнала 100 МГц, следовательно, минимальная необходимая частота дискретизации 200 МГц, то данный сигнал должен быть оцифрован с частотой меньше 50 МГц. Данная технология эффективно используется для функции смешения частот и в некоторых случаях получения необходимой (псевдо-Найквистовой) частоты дискретизации. Сигнал конвертируется вниз в базовую полосу частот или первую Найквистову зону и дискретизируется как обычный «baseband» сигнал. Данное преобразование позволяет избавиться от низкочастотных помех в радиочастотном сигнале. Необходимо учесть, что преобразование может выполняться не только в первую Найквистову зону, но и в другие. Но при использовании четных зон, итоговый спектр инвертируется. Преимущества децимации: уменьшается требуемая вычислительная мощность, а следовательно: уменьшается итоговая стоимость оборудования и потребляемая мощность; снижается частота дискретизации, что позволяет обрабатывать более широкополосные сигналы; позволяет увеличить соотношение сигнал/шум.

2. Интерполяция – это дискретизация с частотой большей, чем необходимая для выполнения критерия Найквиста. Сигнал с полосой 5 МГц может быть интерполирован с любой частотой больше 10 МГц. Интерполяция является обратным децимации процессом, но выполнить его гораздо сложнее. В дискретизированный сигнал добавляются новые отсчеты (нулевые) между уже существующими. После этого сигнал пропускается через интерполирующий фильтр, который дает на выходе итоговую интерполированную последовательность. Интерполяция часто используется при демодуляции сигнала. Желательно, чтобы частота дискретизации сигнала была кратна скорости манипуляции, однако частота дискретизации АЦП, как правило, фиксированная, а скорость манипуляции может меняться. Решением данной проблемы является интерполяция сигнала.

3. Совместное использование децимации и интерполяции – используется в том случае, если необходимо получить дробный коэффициент преобразования частоты. Производится сначала уменьшение частоты дискретизации в некоторое количество раз, и затем ее увеличение.

4. Усреднение сигналов – используется для улучшения качества принимаемого сигнала. Выполнение данной функции возможно в том случае, если дискретизация сигнала намного выше его скорости, так как усреднение предусматривает накопление нескольких последовательных отсчетов. Если же принимается сигнал с большой скоростью, и его дискретизация всего в несколько раз выше, то усреднение такого сигнала приведет к потере информации. Используется несколько типов усреднения: когерентное, некогерентное, усреднение результатов БПФ и экспоненциальное усреднение.

5. Уменьшение шума квантования АЦП – помогает улучшить качество цифрованного сигнала. Обычно используется два способа – сверхдискретизация и рандомизация или размывание. Сущность сверхдискретизации лежит в увеличении частоты оцифровки до значения, превышающего минимально необходимое согласно критерию Найквиста, и последующего пропускания дискретизированного сигнала через цифровой ФНЧ. Рандомизация – другой способ уменьшения шума квантования. Представляет собой добавление шума к аналоговому сигналу до его оцифровки. Это приводит к зашумлению аналогового сигнала, в результате чего шум квантования получается более случайным, с пониженным уровнем нежелательных гармоник.

6. Удаление постоянной составляющей – используется для удаления некоторого постоянного смещения, появляющегося после прохождения аналогового сигнала через АЦП. Избавление от данного явления улучшает характеристики и качество принимаемого сигнала, а при работе с аналоговыми сигналами исключает возникновение щелчков при смене канала.

7. Перенос частоты с помощью прореживания – используется для переноса полосового сигнала вниз по частоте с помощью прореживания в целое число раз.

8. Автоматическая регулировка усиления – используется для подстройки тракта ПЧ по усилению. Система анализирует уже оцифрованный сигнал и управляет усилителем ВЧ сигналов. Производя цифровой анализ, оценивая уровень сигнала и качество его демодуляции можно увеличить или уменьшить усиление, достигая наилучшего качества приема.

9. Фильтрация сигналов – используется для НЧ, ВЧ или полосовой фильтрации цифровых сигналов. Гибкость настройки позволяет динамически создавать необходимый фильтр для работы с определенным сигналом, выделяя из него нужный диапазон. Существует два основных типа цифровых фильтров – КИХ и БИХ. КИХ фильтр является наиболее устойчивым к изменениям входного сигнала, так как его импульсная характеристика конечна. Однако фильтры данного типа имеют более сложную структуру построения, и поэтому сложно реализуемы в цифровых процессорах небольшой мощности. Например, полосовой КИХ фильтр с центральной частотой 10.7 МГц и шириной полосы пропускания 10 кГц будет иметь 78 порядок. БИХ фильтр для данных частотных параметров будет иметь всего лишь 17 порядок. Однако данные фильтры неустойчивы к внешним импульсным воздействиям, так как имеют бесконечную импульсную характеристику. Цифровые фильтры могут изменять свою полосу пропускания, что позволяет наилучшим образом настраиваться на принимаемый сигнал и повышает динамику SDR приемника.

10. Демодуляция сигналов. Современные системы цифровой передачи данных используют множество различных типов модуляции, использующие различные скорости передачи, алгоритмы кодирования и шифрования. Цифровая обработка позволяет сочетать в одном устройстве множество различных стандартов, оперативно выбирая нужный способ декодирования. Имея возможность по демодуляции цифровых и аналоговых сигналов, SDR приемник является универсальным средством приема радиочастотных сигналов всех видов.

Проанализировав все возможные способности цифровой обработки сигналов можно сделать однозначный вывод, что аналоговая техника уже не может предоставить необходимую современным устройствам функциональность. Объединяя в себе большие возможности по улучшению и восстановлению качества принимаемого сигнала, высокое качество и гибкость фильтрации сигналов, а также универсальность демодуляции, цифровые системы предоставляют большие возможности в области разработки универсальных реконфигурируемых устройств телекоммуникационных систем новых поколений.