2. многоканални системи за цифрова обработка на сигнали обобщена схема

В резултат ще се появят интермодулационни смущения, които ще влошат отношението сигнал/шум във високочестотната област и ще изкривят сигнала. Амплитудата на сигнала във защрихованата зона не трябва да е над 0,1% от сигнала в лентата на пропускане. Изходът се търси с увеличаване на честотата на дискретизация и в реализирането на филтри с линейни фазови характеристики.

Когато се обработват сигнали със звукова и по-висока честота, е необходимо да се обърне внимание на опасността от нееднакво закъснение на различните съставки във филтъра. Това ще доведе до изкривявания на изходния сигнал. За избягването им се използват филтри с линейни фазови характеристики.

Когато постигането на висока шумоустойчивост е основен проблем в МКСЦОС с постояннотоков вход, се прибягва към организация на входните канали с модулиране на високочестотно носещо трептение.

В редица отговорни случаи и при тежки експлоатационни условия (с много силни смущения и голяма вероятност за проникване на високоволтови сигнали към системата) се използва оптическо развързване на МКСЦОС от аналоговата входна част.

На фиг. 2.4 е показана възможността от КО или УО да се снема директно дискретна информация. Това се налага много често – например при контрол на честотата. Импулсите се подават към регистър, информацията от който се прочита след подаване на сигнали от процесора (не е показана връзката). Възможно е тези импулсни сигнали от контролирания обект да се подадат директно и на микрокомпютъра. На фиг. 2.4. чрез начертаването на регистъра се цели да се насочи вниманието на читателя към дискретните сигнали.

След аналоговия мултиплексор в общия канал на схемата, дадена на фиг. 2.4. е предвиден програмируем усилвател. Подобни схеми се включват в случаите, когато е необходимо сигналът да се обработи по определен закон. С цел подобряването на качествените показатели в многоканалните системи за връзка например се прилага компандиране (свиване) на динамичния обхват на сигнала в предавателния край и експандиране (разширение) в приемния. При посоченто включване в резултат на обработката на информацията и програмата, по която работи МКСЦОС, може да се извърши усилване или затихване на сигналите по определен закон, съобразен с характера на шумовете. Всичко това има за цел да увеличи отношението сигнал/шум на входа на АЦП.

В аналоговата памет (схема Sample and Hold - S/H) се запомня моментната стойност на аналоговата величина за време, достатъчно за извършване на преобразуването от АЦП. Схемата се управлява от микрокомпютъра и времеинтервалите и са подчинени на неговото бързодействие.

След избора на тип микрокомпютърна система може да се каже, че АЦП е вторият основен елемент, определящ бързодействието на цялата МКСЦОС. Подробно видовете АЦП са разгледани в дисциплината „Техническа информатика”. В тази обща част може да се каже, че новите схемни и технологични решения и непрекъснатото намаляване на цените на АЦП на международния пазар водят и до изменение на някои от концепциите при изграждането на подобни системи.



фиг. 2.7.

На фиг.2.7 е даден вариант, при който се създава МКСЦОС с повишено бързодействие и точност. Всеки канал съдържа нискочестотен филтър и АЦП. Преобразуването става парелелно във всички канали. Цифровата информация се снема чрез цифров мултиплексор. Това гарантира висока точност и намалено влияние на шумовете. От веригата на аналоговия сигнал е премахнат един от източниците на грешки и шумове – аналоговият мултиплексор с неговите неидеални ключове, което се разглежда в следващите раздели.

На фиг. 2.8.а е начератана йерархична структура на МКСЦОС, при която, подобно на схемата от фиг. 2.7, всеки аналогов вход АВ₁ – АВ_n е свързан с микроконтролер, съдържащ АЦП. Организацията може да е шинна (показан е чрез двупосочните връзки) с използване на по-мощен микрокомпютър на второто ниво. Това е най-често срещаната организация в автомобилната и самолетната електроника, тъй като рязко се намалява броя (а оттам и теглото!) на използваните кабели.






фиг. 2.8.а фиг. 2.8.б
На фиг. 2.8.б е дадена най-обща схема за уплътнение във времето след обработка в сигналните процесори (СП) на 8 цифрови телевизионни канала в един общ с честотна лента, равна на тази на аналогов телевизионен сигнал. Тази огромна възможност за увеличаване на броя на ефирните TV канали най-добре илюстрира смисъла и печалбата от многоканалната ЦОС.

Както бе посочено при обясненията на фиг. 2.2 блоковата схема на процесор за обработка на сигнали включва всички блокове между НЧФ преди мултиплексора и НЧФ след аналоговия демултиплексор на фиг. 2.4 без програмируемия усилвател. Всичо е изпълнено на един чип с висока степен на интеграция. Различните функции филтрация, модулация, демодулация и т.н. се реализират по програмен път.

В голяма част от приложенията на многоканалните радиотехнически системи се налага да се регистрират много краткотрайни сигнали. Така е например при многоканалното търсене и откриване на импулсни радиопредаватели. Разглежданите по-горе схеми на входните системи не са подходящи, защото са разчетени за непрекъснат входен сигнал. Импулсните източници могат да бъдат регистрирани и анализирани чрез многоканални микрокомпютърни системи, чийто вход е организиран, както е показано на фиг. 2.9.



фиг.2.9

Схемите на аналоговите памети, в които е фиксирана моментната стойност( в случая максималната, тъй като сигналът действа само за кратко време), са включени преди аналоговия мултиплексор. Трябва да се подчертае, че такава схема не може да даде представа за точното време, в което е постъпил импулсният сигнал. То се отчита с точност до цикъла на снемане на информация от мултиплексора.

На организацията на входа на МКСЦОС беше обърнато такова внимание, поради простата причина, че от правилното схемно решение се определят до голяма степен качествените показатели на цялата схема.

Нека проследим нататък обобщената схема на фиг. 2.4. Микрокомпютърът може да организира подаването на цифровия код към жичен или оптичен канал за връзка, към радиопредавател, към индикатори, регистратори или записващи устройства.

Той поема функциите по първичната обработка на цифровата информация, шумоустойчивото кодиране и синхронизация на контролерите на регистриращите блокове (при условие, че не се работи с мултикомпютърна система).

Чрез цифров демултиплексор данните от микрокомпютъра могат да се подадат към дискретни изпълнителни устройства, включени в управляващата система. Когато се налага изходният сигнал да се получи в аналогов вид, към микрокомпютъра се включва ЦАП и аналогов демултиплексор. Подадените за определено време импулси, съответстващи на аналоговата величина за дадения канал, се запомнят от аналоговата памет. След нискочестотната филтрация се получава изгладеният (импулсно-демодулиран) аналогов сигнал. Особено внимание тук трябва да се обърне на характеристиката на филтъра. При по-широка от необходимата честотната лента в изходния сигнал ще се получат отскоци, които могат да доведат до нарушение на нормалната работа на управляваната система.

При необходимост може да се реализира вариант с толкова ЦАП, колкото са и каналите. Получава се изходната схема, дадена на фиг. 2.11.

Тя е валидна (както и тази на фиг. 2.4) за случаите, когато цифровият код се извежда паралелно от микрокомпютъра. Има редица предимства, най-важните от които са:

• 
  неограничено време за съхранение на информацията, подадена към изхода (това е особено важно при управление на аналогови изпълнителни устройства);
  
• 
  бързо извеждане от процесора и смяна на цифровия код, което е от значение за бързодействащите радиотехнически системи;
  
• 
  премахване на грешките, внасяни от аналоговия демултиплексор и аналоговата памет.
  

В този раздел ще бъде направен анализ на всеки от съставните елементи на МКСЦОС, с посочване на параметрите и решенията, гарантиращи желаното бързодействие, точност и не на последно място – цена на системата като цяло. Разглежданията са в последователност, отговаряща на разположението във обобщената схема на МКСЦОС, дадена на фиг. 2.4.

Това са характерни за управлявания (контролирания) обект точки, от които може да се снеме информация за режимите, процесите и дори за общото състояние или разположение в пространството на обекта (TV приемник, CD, DVD Player, мобилен апарат, автомобил, самолет, ракета). В телекомуникациите при изграждане на многоканална система КТ представлява телефонния апарат на абоната. Това идва да покаже, че на контролната точка трябва да се гледа в по-широк аспект като място (или обект), източник на информация.

Както бе посочено под влияние на други езици се използват и синонимите сензори и датчици. Това е може би най-необятното поле за реализация в техниката въобще. За значението на тези елементи най-добре говори перефразирането от конструкторите на системи за контрол и управление на казаното от Архимед като апотеоз на лоста „Дайте ми опорна точка и ще повдигна Земята” в „Дайте ми необходимия сензор и мога да направя каквото поискате”. Първичният преобразувател може да бъде от най-прост терморезистор до доплерова радиолокационна система, като сензор за височина в самолетите. В телекомуникациите първичен акусто-електронен преобразувател е микрофона, фотоприемника в оптичните комуникации или видеокамерата като източник на сигнал за изображението, подлежащ на следваща цифрова обработка.

В промишлените образци ПП са със стандартизиран (по ток или напрежение, честотен обхват, брой пиксели и т.н.) изход. По комплекса от параметри се избира най-подходящия за дадена система.
2.2.3. Усилватели. Програмируеми усилватели и атенюатори. В обобщената схема на МКСЦОС на фиг. 2.4 усилвателите се срещат като предусилватели след ПП и като програмируеми усилватели след аналоговия мултиплексор.

Предусилвател (>) - включването на усилвател се налага, когато изходните сигнали от контролните точки или датчици се различават значително по амплитуда или по динамичен обхват. Включването на усилвателя цели достигане на определено отношение сигнал/шум. Това отношение е един от основните параметри при проектрирането на системите в телекомуникациите.
Схемното решение на предусилвателя зависи от амплитудата на полезния сигнал, вида му – синфазен или диференциален, работния му честотен обхват, характера на шумовете и т.н. При проектирането му трябва да се подберат интегрални схеми, които по захранващи напрежениея и изходен сигнал са съвместими с другите възли на МКСЦОС.

Този предусилвател също може да е програмируем, с което се повишава универсалността на приложение на МКСЦОС. Улеснява се много включването към ИС (КО,УО) независимо от амплитудата в КТ или изходния сигнал на най-подходящия по други критерии ПП.

Има случаи, при които входните устройства на всяка стъпка от програмата и за всеки канал трябва да имат точно определен коефициент на предаване. Тук съзнателно не се употребява терминът усилватели, защото може да е необходимо не усилване, а затихване на сигналите. В МКСЦОС (и особено многоканалните, обработващи аналогови сигнали от няколко вида) се използват програмируеми атенюатори, усилватели, филтри и др. Самото название показва, че коефициентът на предаване на тези устройства трябва да се изменя по програма. Следователно е необходимо да се намерят тези точки и елементи, въздействието върху които оказва желаното пропорционално изменение на усилването или затихването. За операционните усилватели това може да бъде изменението на дълбочината на обратната връзка чрез включване по програма на резистори (комбинация от резистори), осигуряващи необходимия коефициент на усилване.

На фигура 2.12 е дадена схемата на усилвател с програмируем коефициент на усилване. Във веригата на обратната връзка на операционния усилвател посредством аналогови ключове е включена резисторна матрица. Желаната стойност (подобно на ЦАП) се задава като код на цифровите входове. При оразмеряването трябва да се определи точно еквивалентната стойност на резисторната матрица за всяко значение на кода, а оттам - и коефициентът на усилване.



фиг. 2.12

Усилвател с програмируем коефициент на усилване чрез превключване на резисторна матрица R-2R във веригата на обратната връзка



фиг. 2.13

Програмируем четириканален неинвертиращ усилвател с избор на входове

АВ – аналогови входове, УК – управление на канала
На фиг. 2.13 е дадена схемата на програмируем многоканален усилвател. Характерно за него е, че се използват два аналогови мултиплексора, работещи синхронно. Коефициентът на усилване за всеки канал се установява чрез превключване на съответните резистори към обратната връзка. Тази схема има по-ограничени възможности в сравнение със схемата на фиг. 2.12 , тъй като коефициентът на усилване за всеки канал е постоянен. Използва се в системи, в които не се очаква излизане на следения параметър (съответно сигнал) вън от предварително известен обхват.


фиг. 2.14

Програмируем атенюатор с коефициент на предаване от 1 до 0,0001

(коефициентът на предаване е равен на 1, когато всички ключове са изключени)
Когато е необходимо реализиране на програмируемо затихване на сигнала, се използва схема, подобна на показаната на фиг. 2.14. Четириканалния аналогов мултиплексор (или четириканалният аналогов ключ без вътрешен дешифратор) превключва към съответния потенциал резисторите от паралелния клон на атенюатора. В зависимост от подадения код може да се реализира коефициент на предаване (затихване) от 1 до 0,0001.

Във всички случаи, в които се използват аналогови мултиплексори или ключове, при изчисляване на еквивалентното съпротивление на обратната връзка или атенюатора трябва да се отчете тяхното съпротивление. При високи честоти трябва да се вземе под внимание влиянието на паразитните капацитети.

В много случаи (например в радиоизмерванията, контрола и самоконтрола на радиотехническите системи, системите за автоматично управление и др.) се налага да се открият и измерят изменения в сигнала, чиято амплитуда е много по-малка от тази на сигнала. Съществува реална опасност при аналогово-цифровото преобразуване тази информация да се загуби, особено ако АЦП е с малък брой разреди. В тези случаи се използва схема, увеличаваща по определен закон (и програма!) амплитудата на променливия сигнал, носител на информацията. Принципът и е показан на фиг. 2.15



а)


б) в)
фиг. 2.15

Увеличаване на разрешаващата способност чрез изваждане на два сигнала и управление на коефициента на усилване: а) схема на свързването на ЦАП и усилвател в програмируемо усилване; б) без изваждане и Kупу=1; в) с изваждане и Купу=10
Към неинвертиращия вход на програмируем усилвател е свързан ЦАП. При показаното свързване може да се реализира изваждане на сигналите, постъпили на двата входа. Чрез подходящо подбрано (чрез програмата и съответно цифровия код) напрежение на изхода на ЦАП се постига изваждане (компресиране) на бавно изменящия се сигнал. В резултат измененията се получават около една средна линия, съответстваща на някаква постояннотокова съставка. При регистрация на изменение се променя коефициентът на усилване на програмируемия усилвател и се увеличава мащабът на информативния сигнал. Всичко това се отразява от микрокомпютъра, който прави съответните корекции в цифровите данни.

Както бе посочено широко разпространение в телекомуникационните системи е получило логаритмичното свиване на сигнала преди АЦП и съответно антилогаритмуването на цифровите данни при обработката им от микрокомпютъра или аналогово антилогаритмуване на напрежението след ЦАП. Това позволява да се използват АЦП и микрокомпютри с малка разредност при обработката на сигнали с голям динамичен обхват. Например, ако се използва компресор на сигнала с 10 V входна скала и изменение на свиването с 3,33 V/декада, сигнал с амплитуда 5 V ще затихне около 1,5 пъти, а сигнал с ниско ниво от няколко десетки mV ще се усили около 66 пъти. По този начин при използването на 10-разреден АЦП ще се получи точност, за която при некомпресиран сигнал е необходим 16-разреден АЦП.

Освен използването на евтини и достъпни АЦП компандирането (свиването) води до още едно предимство. При по-малкия брой разреди може да се увеличи скоростта на преобразуването на сигналите. Освен това се увеличава отношението сигнал/шум. Така се получава, защото аналогово-цифровото преобразуване фактически се извършва по нелинеен начин закон. Колкото амплитудата на сигнала е по-малка, толкова коефициента на усилване е по-голям и това води до по-голям брой нива на квантуване на АЦП. Следователно шумовете от квантуването ще са по-малки в сравнение с необработван сигнал. Трябва да се внимава обаче и да се отчетат измененията в спектъра на сигнала. Компресирането е нелинеен процес, който изменя сигнала и следователно неговия спектър по нелинеен закон. Най-често компресираният сигнал е с по-широк спектър и изисква по-широка честотна лента за предаването му до АЦП. Трябва да се внимава особено много, ако след компресора се включва аналогов мултиплексор или филтър. Те може да се окажат съобразени с нискокомпресирания сигнал и да внесат необратими нелинейни изкривявания, които ще се проявят след експандирането.

Логаритмичната обработка на сигнала се налага много често при съгласуване на широкообхватни оптикоелектрически датчици и оптични линии с теснообхватни електрически линии за връзка.

Ролята на нискочестотния филтър е да ограничи честотния спектър на обработвания сигнал съгласно теоремата за дискретизация. При известен закон на разпределението на шума може да увеличи отношението сигнал/шум чрез премахването на високочестотните шумове. В обобщената схема е начертан, като програмируем, т.е. честотата на среза (съответно лентата на пропускане) може да се измени автоматично от микрокомпютърната система, съобразно конкретните нужди – например при смяна на контролирания обект или при необходимост да се променят някои начални условия при контрола и диагностиката.

Всички сложни сигнали, каквито са повечето от радиотехническите, могат да се представят като сума от безкреан брой хармоници. В действителност броят им е краен, но трябва точно да се определи до каква степен ограничаването на спектъра чрез НЧФ не нарушава способността на сигнала адекватно да пренася кодираната в него информация.

Както бе посочено в раздел 2.1 при условие, че сигналът е със сложна форма и трябва да се предадат точно областите с рязко изменение на големината на производната му, необходимо е да се разшири пропускателната честотна лента на нискочестотния филтър, т.е. да се работи с по-висока гранична честота. Рязкото изменение на производната по стойност и знак е доказателство също за наличие в спектъра на обработвания сигнал на високочестотни съставки.

Сложността на проблема е там, че честотната лента на сигнала е определяща при избора на мултиплексор и на честота на обхождане на каналите. В раздел 2.1 бе посочено, че ако не се съгласуват точно лентата на пропускане на НЧФ и честотата на превключване на аналоговия мултиплексор (което определя честотата на дискретизация ƒ_д) могат да настана интермодулационни смущения, а оттам и изкривявания на обработения сигнал.

Проблемът се усложнява при МКСЦОС и обекти с изменение на спектъра на следения сигнал в широки граници. Желаната филтрация се постига чрез програмируеми филтри. Примерна реализация на такъв филтър е дадена на фиг. 2.16. Използва се умножаващ ЦАП, чието изходно напрежение е пропорционално на произведението на изходното напрежение на операционния усилвател, което е подадено като опорно за ЦАП и цифровия код.





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 ако всички канали се обхождат при един цикъл, и най-високата честота на сигнала е ƒв честотата на подаване на командите (адресите) към мултиплексора е 2nƒв .

Организацията на процесите измерване, контрол и управление от МКСЦОС се извършват с помощта на мултиплексорите. Мултиплексорът превключва в определен ред постъпващите от n на брой контролни точки сигнали към общ канал. Чрез демултиплексор се извършва включване в определен ред на общия канал към изходните вериги за определено време. При аналоговите мултиплексори превключване на един канал означава осъществяване на електрическа връзка чрез един ключ от i-тия входен канал към изходния канал.

При цифровите мултиплексори под превключване на един канал се разбира осъществяването на електрическа връзка на една р-разредна входна шина (р-разреден входен канал) посредством р на брой логически схеми към р-разредната изходна шина.

Основните технически характеристики на аналоговите и цифровите мултиплексори са: бързодействие (скорост на превключване на каналите); гъвкавост, определена от възможността за управление на каналите в произволен ред; работа в режим на мултиплексиране и демултиплексиране; надеждност; възможност за автоматичен контрол на работата на самия мултиплексор и др.