Квазицифровая обработка аналоговых сигналов

Автор: Акопов Роберт UN7RX

Прежде всего акцентирую внимание читателя на том что данная статья является своеобразной затравкой, немного опробованной идеей, а не какой-то догмой или постулатом в обсуждаемой области обработки сигналов.

В настоящее время все шире распространяется применение цифровой обработки аналоговых сигналов, предоставляя широкие возможности изменять по своему усмотрению исходный сигнал. Для этого используют специальные процессоры аналоговых сигналов (DSP) выпускаемые множеством фирм, имеющие разный набор функций, допускающих как исключительно контроллерное управление (из старых DSP например – MC56002), так и почти «ручное» управление (например MF10CCN). Интересна тенденция применения такой обработки не только в профессиональном исполнении, но и в любительской аппаратуре. Доказательством тому служат крайне интересные статьи [1] и [2]. Необходимо отметить что это пожалуй первые статьи «любительского» применения DSP встреченные автором в публикациях (речь идет о применении DSP в любительской аппаратуре связи КВ/УКВ). Весьма интересной и познавательной была и статья [3]. Хотя некоторые аспекты превосходства цифровой обработки над аналоговой и вызывают сомнения. В частности, в статьях посвященных цифровой аудиотехнике (где применяется обработка сигнала пользователем, например цифровым магнитофонам) указывается резкая зависимость качества получаемого сигнала от входного диапазона напряжений, например [4] и [5]. Хочется отметить, что автор данной статьи ни в коем случае не ставит под сомнение «за чем будущее», развитие схемотехники безусловно расставит все точки над i .

Независимо от многообразия построения внутренней структуры DSP в них можно выделить три основных устройства (рис 1).

Входной аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму с различной степенью дискретности (чем больше тем лучше, но резко усложняется и соответственно удорожается АЦП), далее многоразрядный цифровой сигнал обрабатывается в блоке обработки ( в параллельно или последовательно, в зависимости от требуемой скорости обработки) , а после обработки сигнал вновь превращается в аналоговый при помощи АЦП.

Многим радиолюбителям сегодня доступны различные как отдельные АЦП и ЦАПы, так и полностью готовые DSP. Имеется в виду и различные фирмы предлагающие детали и (что по-прежнему немаловажно) старая аппаратура различного назначения, как-то списанные блоки РРС, систем сотовой связи и т.д. При всем при этом сложность доступа к таким деталям, проблемы их адаптации к конкретным требованиям, заставляют искать другие подходы к обработке аналоговых сигналов.

Принцип что называется «лежит на поверхности». Чтобы избежать применения АЦПЦАП и связанных с этим сложностей было решено попробовать превратить аналоговый сигнал в форму в которой он будет воспринят цифровыми устройствами как «свой». Стандартный цифровой сигнал представляет собой импульсы прямоугольной формы. Аналоговый сигнал имеет как правило сложный набор форм (в простейшем виде синусоиду) и если его преобразовать в прямоугольную, например при помощи компаратора, то основная часть информации будет безвозвратно утеряна, т.к. она содержится именно в градациях напряжения. Поэтому чем выше разрядность АЦП тем чаще выборки сигнала за один тактовый период, тем достовернее преобразование сигнала.

Однако есть такой способ передачи аналогового сигнала который позволяет преобразовывать исходный сигнал в требуемую форму без малейшей потери информации. Это обычный ЧМ сигнал. Более того, в классическом приемнике ЧМ сигнала последний и преобразовывается в прямоугольный перед детектором в усилителе-ограничителе тракта ПЧ.

Читателям предлагается вариант преобразования аналогового сигнала в «квазицифровую»форму пригодную для обработки простейшими цифровыми устройствами позволяющими получить характеристики порой недостижимые даже для современных АЦП и ЦАПов. Структурная схема приводится на рис 2.

Входной сигнал если требуется усиливается и подается на модулятор ЧМ генератора. Выходной сигнал преобразовывается в прямоугольные импульсы, например компаратором.

Теперь его можно обрабатывать как обычный цифровой сигнал, например при помощи простейших цифровых фильтров, например [6]. Следует отметить что коэффициенты селекции компонентов сигнала в таком фильтре определяется фактически только паразитными емкостями деталей и монтажа и составляет величины порядка сотни децибел (из-за высокого порогового уровня).

Такой сигнал можно делить и умножать, при этом меняется только коэффициент модуляции. Изначально идея возникла при попытке решить проблему применения цифрового фазовращателя для обработки звукового сигнала в трансивере прямого преобразования. Применение цифрового фазовращателя позволяет получить очень высокую точность поворота фазы и хорошо известно [7]. Если полученный прямоугольный сигнал пропустить через триггеры – фазовращатели, а затем продетектировать в ЧМ детекторах и подать на квадратурный смеситель, то можно получить очень высокую степень подавления нерабочей боковой полосы, определяемой только точностью регулирования одинаковости амплитуды сигналов на выходах ЧМ детекторов, что легко регулируется (рис 3).

Практически все узлы устройства можно выполнить на логических элементах, что резко упрощает схему, например в качестве ЧМ детекторов с максимально близкими характеристиками можно использовать простые детекторы на логических элементах предложенные в [8], а в качестве гетеродина микросхему типа К531ГГ1 позволяющую получить ЧМ сигнал с практически идеальным меандром . Это заставляет по новому взглянуть на технику прямого преобразования имеющего множество преимуществ.

Если использовать ЧМ генератор на частоты порядка нескольких сотен МГц, то можно проводить обработку сигналов на ПЧ с частотами нескольких мегагерц по схеме рис 4.

Все узлы устройств на этой основе получаются предельно простыми, хотелось бы отметить что сам принцип «аналоговый сигнал -> ЧМ сигнал -> прямоугольный сигнал -> обработка ( в данном случае простейшая – деление) -> ЧМ детектор -> аналоговый сигнал - была проверена и прекрасно работала.

Хотелось выложить нечто полностью готовое, но катастрофическая нехватка времени не позволяет развить идею дальше.

С удовольствием выслушаю мнение тех кто любит сам опробовать всякую интересную всячину. Просьба не хамить, если активно не понравилось – не читайте и не плюйте в монитор, отмывать придется Вам же.

Акопов Роберт UN7RX e-mail arg@mail.kz либо arg777@mail.ru