2. многоканални системи за цифрова обработка на сигнали обобщена схема



страница1/3
Дата27.09.2016
Размер466.31 Kb.
  1   2   3
2. МНОГОКАНАЛНИ СИСТЕМИ ЗА ЦИФРОВА ОБРАБОТКА НА СИГНАЛИ

2.1. Обобщена схема


      1. ОБЩИ СВЕДЕНИЯ

Преди десетилетия беше актуален въпросът “Може ли да ни кажете колко електродвигателя имате вкъщи?”. Без затруднение отговарящият започваше да изброява уредите и с изненада откриваше, че не му стигат пръстите на двете ръце (като много рядко се сещаше за стъпковите електродвигатели в часовниците със стрелки).

Днес актуалният въпрос е “Може ли да изброите микрокомпютрите във вашия дом?”. Не е малък процента на тези, които със съжаление ще отговорят, че все още нямат компютър, разбирайки под това наименование персоналния компютър. В същото време те не подозират, че микрокомпютърът е навсякъде около тях – в телевизионния приемник, в радиоприемника, дисковите записващи и възпроизвеждащи системи (CD, DVD), видеокамерата, кафеварката, миксера, електрическата печка, детските играчки. Ако погледнем съвременния автомобил с всички “екстри”, картината става още по-пъстра. От антиблокиращите системи до глобалната навигационна компютърна система – всичко е зависимо от микрокомпютъра, от цифровата обработка и гарантираната от тях точност и повтаряемост на резултатите.

Многообразието на приложенията поражда основателния въпрос – една и съща ли е ролята на микрокомпютъра в необхватните области на приложение? Едни и същи ли са изискванията към тях (като архитектура и възможности) в мултимедията и кухненския робот?

Най-точен отговор на този въпрос трябва да са в състояние да дадат специалистите в областта на телекомуникациите, безжичните комуникации и радиоразпръскването и най-вече профилираните в телекомуникационната информатика, изискваща комплексни знания и практически умения. Само при изградено чувство за връзка между параметри на сигнала (и преди всичко спектралните зависимости) и неговите възможности като физически носител на информацията може да се изградят съвременните системи за цифрова обработка на видео или радиолокационен сигнал не само при изследване на далечни обекти в Космоса, но и при заобикалящата ни битова аудио и видео техника с фантастични възможности по отношение на времетраене и качество на записа и възпроизвеждането. В не по-малка сила това се отнася за мобилните комуникации, при които мобилният апарат се превърна в интелигентен мултимедиен терминал с огромни възможности за достъп до широк кръг източници на информация, в който традиционният телефонен разговор е само една тривиална функция, останала на заден план.


2.1.2. Многоканални системи за цифрова обработка на сигналите (МКСЦОС) за целите на контрола, диагностиката и управлението.

Включването на микрокомпютър позволява да се реализират системи, чиито функции се определят от начина и степента на обработка на сигналите и респективно данните и начина и степента на участие на микрокомпютъра в управлението на процесите. От тази гледна точка в литературата по автоматично управление системите се делят на информационни, информационно-съветващи и информационно-управляващи.

Информационните системи изпълняват функции само по снемане, обработка, представяне и архивиране на информация за състоянието на контролирания обект или за резултатите от управлението му от човека. Това са системи ,в които на човека оператор са представени функции по анализ на представената от системата информация, сравняване с целите на управлението и вземане на решение и изпълнение на решението.

Информационно-съветващите системи след обработката на информацията и сравнението и със заложени в паметта данни за целите на управлението наред с представянето на информацията дават и инструкции за необходимите управляващи въздействия. Типичен пример са GPS системите в транспортните средства, при които водачът трябва само да изпълнява стриктно подаваните визуални и гласови напътствия за достигането на избраната географска точка.

Широко се използват автоматични системи, които в резултат на обработката на информацията вземат решение и подават управляващи сигнали на изпълнителните устройства. Причисляват се към класа на информационно-управляващите системи. Характерно за тях е наличието на обратна връзка от изхода на изчислителния блок към управлявания обект. В радиотехническите системи съществува голямо разнообразие в изпълнението на тази обратна връзка. Така например в телевизионните или радиоприемниците с микрокомпютърно управление на настройката на хетеродина сигналът е маломощен и не са необходими специални изпълнителни блокове. В радиолокацията се налага микрокомпютърната система да осигури режим на автоматично следене на целта чрез точно насочване на тежката антенна система. Тогава е необходимо включването на мощни изпълнителни електродвигатели и съответно усилватели.

В случаите, когато радиотехническата информационно-управляваща система се използва за производствен или експлоатационен контрол и диагностика на радиоелектронни изделия, е необходимо да се реализират някои допълнителни функции. С цел точното определяне на състоянието и степента на годност на диагностицирания обект много често се налага да се променят параметрите (амплитуда, честота и фаза) на стимулиращите сигнали, както и тяхната форма. Така например за точната проверка на аналоговата част на сложна радиотехническа система може да се използват както синусоидални, така и правоъгълни, трионообразни, трапецовидни и други сигнали. При това промяната на всички параметри на стимулиращите сигнали трябва да се управлява от изчислителния блок в зависимост от хода на изпълнение на контролно-диагностичната програма. За същите цели е необходимо и изменението по програма на захранващите напрежения. Всички тези изисквания могат да бъдат удовлетворени чрез създаването на компютърно управлявани честотни синтезатори, функционални генератори и токоизправители.

На фиг. 2.1 е дадена най-общата блокова схема, отразяваща възможностите за реализация на функции по контрол и управление.



фиг. 2.1

На входа на контролирания (управлявания) обект постъпват входни въздействия, съдържащи информация за настъпващите събития и състоянието на околната среда. Микрокомпютърната система чрез сигналите, снети в характерни за обекта и процесите точки, оценява съответствието с поставените цели и изработва съответните сигнали. При информационните системи това са директни изходи 1 към индикатор, регистратори и записващи устройства, отчитащи резултатите от контрола.

При информационно – съветващите системи тези изходи водят до съответните системи за комуникация оператора.

При автоматичните управляващи системи сигналите от изходи 2 на микрокомпютъра служат за промяна на състоянието на управлявания обект, което се отчита чрез постигнати желани резултати от управлението (означени с изходи 3) (например поддържането на траекторията на ракета или маршрута на самолет, поставен в режим на автопилот).

До тази схема могат да се сведе управлението и на споменатите битови уреди и системи на автомобила. Тъй като става дума за изделия за масова употреба и в милионни тиражи, бяха разработени специализирани евтини микрокомпютърни конфигурации за целите на управлението и затова наречени микроконтролери (от английското control – управление). Те са с бързодействие, удовлетворяващи целите на контрола и управлението (включително и оптимизация по определени критерии) за промишлени и битови цели. Такива микроконтролери се използват и за управление на режимите и тунера на аналоговите телевизионни приемници, на аудио и видео техника. Трябва да се запомни - само режимите и настройките! Те не участват в цифровата обработка на сигналите, носители на информацията, в аудио и особено във видео системите.
2.1.3. Многоканални системи за цифрова обработка на сигнали в телекомуникациите, безжичните комуникации и разпръскването, мултимедийните системи и системите за навигация и радиолокация.

Към областите, поставени в заглавието може да се прибави също ядрената енергетика, управлението на ракети и самолети и съответните противоракетни и противосамолетни комплекси. Изброяването е трудно и с риск да се пропусне област на приложение. Общото обаче е едно – става дума за сигнали с широк спектър, изискващи цифрова обработка с голям брой операции. Широкият спектър определя висока честота на дискредитация по Найкуист-Котелников (най-непретенциозния видео-сигнал при конвеционалната 50 Hz телевизия налага fд > (14 ÷ 17).106 отчета/s. Един цифров филтър със задоволителна стръмност на характеристиката се реализира с повече от 40 операции. Следователно микрокомпютърът, включен в директната обработка на широколентови сигнали, трябва да е с голямо бързодействие. За целта бяха създадени процесори с висока скорост на обработка на базата на специална архитектура (“Харвардска архитектура”). Поради насочеността на приложение бяха наречени сигнални процесори, или дори “аналогови процесори”.

На фиг. 2.2 е дадена блоковата схема на едноканалната система за цифрова обработка на сигнали.


фиг 2.2
Източникът на аналогови сигнали може да е микрофон, видеокамера, тунер на телевизионен приемник и др. Преобразователят на информация (получателят на аналогови сигнали) може да е високоговорител, телевизионен дисплей и друго средство, съвместимо с аналоговите входове на човека като потребител на информацията.

Обработката на аналоговите сигнали е свързана преди всичко с повишаване на шумоустойчивостта и усилване. Анологово-цифровото преобразуване (АЦП) прави сигнала “разбираем” за цифровия процесор, а цифрово-аналоговото (ЦАП) преобразува изходния от процесора сигнал в “разбираемия” за човек аналогов. На нискочестотните филтри (НЧФ) ще бъде отделено внимание по-долу, независимо, че аналогични обяснения са давани и по други дисциплини.

Микрокомпютърът е бърз сигнален процесор. Необходимо е обаче едно пояснение. Практика е в сигналните процесори да се включват НЧФ, АЦП и ЦАП и то с няколко входа и изхода. Така , че по-точно е под сигнален процесор да се разбира съвкупността от блокове, включени в защрихованата част.

Специфична МКСЦОС представлява схемата на телевизионен приемник за аналогов сигнал с цифрова обработка на сигналите даден на фиг. 2.3. Наречен бе цифров телевизионен приемник. Трябва много да се внимава и да не се смесват понятията “TV приемник на аналогов сигнал с цифрова обработка” и “TV приемник за цифрова телевизия”, при който излъченият сигнал е модулиран (по-точно манипулиран) с двоичен цифров сигнал, носител на информация за трите компоненти – звук, картина и отклонителни напрежения.





фиг. 2.3

На фиг. 2.3 ясно са очертани каналите за стерео звука (има и варианти за квадрофония) с обработка от звуков процесор, видеопроцесор с бързодействащ АЦП с паралелно действие и процесор за отклоненителните напрежения. Управлението (ръчно и автоматично) става чрез управляващ микрокомпютър, който следи за оптимизацията на всички режими и процеси и за работата при различни стандарти за формат на изображението и амплитудно-честотни характеристики на звука. Развитието на технологиите направи възможно трите процесора да се обединят в една интегрална схема.

Целта на цикъла семинарни занятия е да се намерят общите проблеми, да се обърне внимание на специфичните блокове и решения, на връзките между тях. Изходно начало е разкриване на факторите, определящи бързодействието и точността (особено внимание се обръща на измерителната точност защото не може да се постигне адекватно автоматично управление на устройства и системи без гарантиране на необходимата точност на регистриране на входните сигнали, на обработката им и на изходните управляващи въздействия).

Погледът към проблемите е насочен към подготовката на студентите не само да могат да си обясняват схемните решения в областта на телекомуникациите и безжичните комуникации и разпръскването. Те трябва да са подготвени и за такива перспективни области като автомобилната и особено селскостопанската електроника като предпоставка за конкурентноспособно земеделие и животновъдство.



2.1.4. Обобщена схема на МКСЦОС

При съставянето на обобщената функционална схема на многоканалната система за цифрова обработка на сигнали стремежът бе по-голямата част от евентуалните приложения да се отчетат и да се отразят в една или друга степен. Затова на схемата на фигура 2.4 са намерили място почти всички блокове и възли, срещащи се в съвременните системи за цифрова обработка на сигнали, контрол и управление. На схемата с ИС, КО, УО е означено, че това може да бъде източник на сигнали с различен характер (ИС), контролиран обект (КО) или управляван обект (УО).

В повечето случаи включването на микрокомпютър означава, че се контролират голям брой параметри или, че управлението и оптимизацията на качествените показатели на контролираната система се основава на следенето и обработката на повече от един сигнал. Характерно за съвременните системи е това, че наред с електрическите сигнали (най-често промяна на напрежение) се налага да се следят и неелектрически – температура, влажност, налягане, или такива, чийто контрол изисква преобразуване на сигнала – например измерване на интензитет на електрическо поле.

Затова в системата на фиг. 2.4 е предвидено използването на съответните първични преобразуватели (ПП), (датчици), (сензори) на неелектрическите величини в електрически. В схемите, които ще бъдат разгледани по-долу, тези първични преобразуватели няма да се чертаят винаги. Приема се, че сигналите, постъпващи към МКСЦОС, са електрически.

В много случаи една и съща МКСЦОС като набор от блокове и възли може да изпълнява различни функции по филтриране и нелинейна обработка на сигналите. Тези функции се реализират по програмен път.

В разглежданите по-долу варианти на организацията на входовете и изходите на МКСЦОС е намерил отражение различният подход при подбора на елементите в зависимост от амплитудата на сигналите, от характера на шума, от броя на изследваните параметри, от наличието на управляващи устройства, от изискванията за точност и бързодействие и т.н.

На фиг. 2.4 добре се разграничават конфигурациите, за които стана дума по-горе. Всички блокове от ИС, КО или УО до компютърната система с индикацията, регистрацията, запис на носител и аналоговите изходи за друг вид регистрация и индикация образуват типична информационна система. Предвидена е и възможност за предаване на информацията по канал за връзка. В зависимост от степента на обработка на изобразяваната информация и подаване към оператора на съответните данни и команди (например в автомобила гласова команда “Постави коланите”, гласовите и визуални от дисплея съвети и команди на GPS системата за състоянието по маршрута и необходимите действия от страна на шофьора – “На 200 м. светофар. Заеми дясната лента”, “На светофара завий надясно”, “След 100 м. е търсения адрес” и т.н.) същата конфигурация може да се отнесе и за информационно-съветващите системи.


фиг. 2.4

Възможността да се изпълняват контролно-диагностични функции е показана чрез включването на блока на програмно управляваните устройства – синтезатори, функционални генератори и токоизправители.

Осъществяването на обратна връзка и изработването на управляващи сигнали за изпълнителното устройство превръщат системата на фиг. 2.4 в информационно-управляваща.

Преди да се пристъпи към подробното разглеждане на схемата с разкриване на функциите и особеностите на отделните блокове, трябва да се посочи, че всички магистрали (шини), по които може да се предава паралелно информацията, са начертани с пресичаща ги чертичка.

Да проследим схемата от фиг. 2.4. Към съответната контролна точка (КТ) на ИС, КО или УО е свързан първичният преобразувател (ПП). Посочено бе, че в повечето случаи такъв преобразувател липсва. Тогава изходният сигнал може да се подаде директно на входа на усилвателя. Включването на усилвател се налага, когато изходните сигнали от контролираните точки или датчици се различават значително по амплитуда или по динамичен обхват. Вместо от контролна точка на системата информацията (т.е. сигналът) може да се получава от телефонния апарат на абоната, от един елемент на антенната система с електронно сканиране или от една от няколко контролирани радиостанции. Начертаната схема обобщава принципите на изграждане на многоканалните системи за събиране на информация. В съощителната техника това са 8- или 24-каналните трактове с импулсно-кодова модулация и микрокомпютърно управление на кодиращо-декодиращите устройства.

Както се вижда от схемата, в някои точки сигналът може да е с много по-голяма амплитуда. За да се осигури необходимият за дадената система динамичен обхват на сигнала, се налага включването на делители (атенюатори).

В многоканалните системи са възприети определени стандарти за входните сигнали. Това означава, че голяма част от предлаганите датчици са със стандартни изходни сигнали.

Включването на усилвателя цели достигането на определено отношение сигнал/шум. За простота на разглежданията ще приемем, че се осъществява едноканална обработка на сигнала. Отношението сигнал/шум в МКСЦОС е един от основните параметри при проектирането им. Вярно е, че той определя и ограничава качеството на съответната система (изделие) до голяма степен. Тук обаче разглеждането му има по-друг смисъл. Включването на микрокомпютър превръща и най-близката до линейна система в нелинейна. Преминаването от аналогов в цифров сигнал е нелинеен процес, свързан с появата на регулярна грешка. Това е грешката от дискретизация. Големината и се определя от приетата разредност на аналогово-цифровото преобразуване. Необходимо е да се подчертае, че в случая не се взема разредността на микрокомпютъра, а на АЦП. Това е така, защото един 8-битов микрокомпютър например може да работи и с 10, 12, 14 и т.н. разреден АЦП, като прочитането на информацията се извърши на няколко стъпки от програмата. И така при 8 разряден АЦП, грешката ще бъде 1/28 = 1/256 ≈ 0.4 %. Това е фактически изменението с една стъпка, което отговаря на 1 в най-младшия значеш разред на цифровия код. От теорията на сигналите и по-специално от теорията на импулсно-кодовата модулация е известно, че стъпката на квантуване се избира ∆h ≥ 2δШ , където δШ е максималното ниво на шума на входа на системата. Следователно амплитудата на шума на входа на АЦП не трябва да надвишава ½ от нивото, съответстващо на младшия значещ разред. С други думи, отношението сигнал/шум на входа на АЦП трябва да е толкова по-голямо, колкото е по-голяма разредността на АЦП. Понятно е, че количественото определение на това отношение зависи от характера на шума. От закона на разпределението му следва какви ще бъдат формулите за пресмятане на необходимата амлплитуда на сигнала на входа на АЦП.



Трябва да се посочи, че за определяне на грешката е необходимо да се вземе под внимание не само шумът, но и грешките, внасяни от всички блокове, предхождащи АЦП.

Внимателното проследяване на схемата на фигура 2.4 показва, че в определянето на отношението сигнал/шум оказват влияние всички възли и блокове, намиращи се между източника на аналоговия сигнал (или съответната контролна точка) и АЦП. В случая това са предусилвателят, нискочестотния филтър, аналоговият мултиплексор, усилвателят с програмируем коефициент на усилване и аналоговата памет S/H. В следващите раздели се разглеждат тези блокове и възли. Тук се дават най-общите, стратегическите изисквания към всички основни блокове, които трябва да се отчитат при проектирането.

Схемното решение на предусилвателя зависи от амплитудата на полезния сигнал, вида му – синфазен или диференциален, работния честотен обхват, характера на шумовете и т.н. При проектирането му трябва да се подберат интегрални схеми, които по захранващи напрежения и изходен сигнал са съвместими с другите възли на МКСЦОС. Може да се каже, че предусилвателят не затруднява проектантите, но не трябва да се забравя, че той е едно от звената, даващи им възможност да се подбори отношението сигнал/шум.

Въпреки това още тук може да се посочи, че каквито и мерки да вземе конструкторът, оразмерявайки входа на системата, всичко може да се сведе до нула от пренебрегване не на амплитудни, а на честотни зависимости. Типичен пример за дълбочината на проблемите е обосновката на необходимостта от нискочестотен филтър, намиращ се след усилвателя и преди мултиплексора. Обръщаме внимание, че тук той е начертан като програмируем, т.е. честотата на среза (съответно лентата на пропускане) може да се измени автоматично от микрокомпютъра съобразно конкретните нужди – например при смяна на контролирания обект или при необходимост да се променят някои начални условия при контрола и диагностиката.

Ролята на нискочестотния филтър е да ограничи честотния спектър на обработвания сигнал в съответствие с Теоремата за дискретизация и при известен закон на разпределение на шума евентуално да увеличи отношението сигнал/шум чрез премахване на високочестотните шумове. Тук е необходимо малко повече внимание, защото съществуват предпоставки за грешки, а оттам и за неточна (да не кажем невъзможност) за работа на цялата система.

Всички сложни сигнали, каквито са повечето в телекомуникациите и радиотехниката могат да се представят като сума от безкраен брой хармоници. В действителност броят им е краен, но трябва точно да се определи до каква степен ограничаването на спектъра не нарушава способността на сигнала адекватно да пренася кодираната в него информация. Известно е, че некомпетентното боравене със сигнала може да доведе до грубо нарушение на параметрите му и до загуба на информацията. Точна рецепта за ограничаването на спектъра трудно може да се даде.

При условие че сигналът е със сложна форма и трябва да се предадат точно областите с рязко изменение на стойността на производната му, е необходимо да се разшири пропускателната честотна лента на нискочестотния филтър, т.е. да се работи с по-висока гранична честота. Рязката смяна на знака на производната е доказателство също за наличие в спектъра на обработвания сигнал на високочестотни съставки.

Специалистите с по-малък опит в разглежданата област могат да поставят законния въпрос – защо е необходимо да се отделя толкова внимание на филтъра. Достатъчно е да е с по-висока гранична честота и всичко ще е наред. Сложността на проблема е там, че честотната лента на сигнала, пропуснат от филтъра, е определяща при избора на мултиплексор и на честота на обхождане на каналите.

Предназначението на аналоговия мултиплексор е да насочи сигналите от превключваните n на брой аналогови канали към общия канал. От теоремата на Найкуист - Котелников е известно, че дискретизирането на непрекъснат сигнал трябва да става най-малко с два пъти по-висока честота от най-високата честота на спектъра на сигнала ( ƒд ≥ 2ƒв). Следователно изкуственото завишаване на горната гранична честота на обработвания сигнал с цел подобряване на формата му изисква честотата на включване в дадения канал да е по-висока. Това не винаги е възможно и желателно, дори ако се избере бързодействащ мултиплексор. Микрокомпютърът управлява работата на мултиплексора със скорост, определена от тактовата му честота. При n канала и най-висока честота на сигнала ƒв честотата на подаване на командите (адресите) към мултиплексора е по-висока от 2nƒв. Тези въпроси ще бъдат обсъждани подробно в следващите раздели.

Получаването на отчета за функцията на изхода на аналоговия мултиплексор в дадения момент по принцип е осъществяване на амплитудна импулсна модулация (АИМ) – фиг. 2.5.





фиг. 2.5.

Известно е, че спектърът на АИМ сигнала има вида, показан на фиг. 2.6. Правоъгълните сигнали на отчетите следват с честота ƒд ≥ 2ƒв . Около всеки хармоник на тези сигнали се появяват горна и долна странична лента. Освен това в спектъра на АИМ сигнала се запазва модулиращият сигнал, означен със съответната честотна лента от ƒн до ƒв на фигурата. При условие, че не се вземат специални мерки за реализиране на филтър със стръмна характеристика, съществува реална опасност от разширяване, а оттам и препокриване на спектрите, както е показано на фиг. 2.6 – защрихованата област.

  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница