ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1 ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ 7
1.1 Теоретические основы цифрового преобразования частоты 7
1.2 Неидеальности цифровых преобразователей частоты 14
1.3 Нестабильность частоты тактового генератора 24
ГЛАВА 2 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЦИФРОВОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ 34
2.1 Анализ существующих сред компьютерного моделирования 34
2.2 Разработка имитационной модели 38
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЖИТТЕРА НА ПРОЦЕСС
ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ 62
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 78
В современных цифровых системах радиосвязи широко используют цифровые методы преобразования частоты, как в радиопередающих, так и в радиоприемных устройствах. Основное преимущество цифровых методов преобразования частоты перед аналоговыми, заключается в отсутствии нелинейных преобразований, вызывающих внеполосные излучения в радиопередающих устройствах и побочные каналы приема в радиоприемных устройствах. Однако, цифровые преобразователи частоты (ЦПЧ) не являются идеальными устройствами, и их параметры зависят от различных факторов. К таким факторам относятся: параметры электронных компонентов, стабильность частоты тактового генератора, задающего частоту дискретизации, неидеальности фильтров.
Основным этапом цифрового преобразования частоты является процесс дискретизации аналогового сигнала. Типовая схема ЦПЧ состоит из транзисторного ключа, управляемого тактовым генератором и конденсатора, накапливающего заряд в момент открытия ключа.
Успехи в электронном приборостроении позволяют минимизировать влияния погрешностей, вносимых конденсатором и электронным ключом, путем усложнения архитектуры и применением более качественных компонентов. Так же, их влияние на сигнал можно учесть и скомпенсировать в дальнейшем. Однако, любой тактовый генератор всегда обладает конечной стабильность частоты, изменение которой приводит к нарушению периода дискретизации, а, следовательно, и к дрожанию спектра преобразованного сигнала, внося искажения не подлежащие компенсации в последующей цифровой обработке сигналов. Этот процесс характеризуется джиттером. Его невозможно полностью устранить ввиду обширного числа причин возникновения. Таким образом, ключевым фактором, влияющим на качество работы ЦПЧ является джиттер тактовой частоты.
Поэтому научная задача, состоящая в исследовании влияния джиттера на качество работы цифрового преобразователя частоты, является актуальной.
Целесообразным методом исследования данной научной задачи является метод имитационного компьютерного моделирования. В качестве программной среды моделирования, была выбрана LabVIEW, содержащий все необходимые средства для моделирования ЦПЧ.
Существует два метода реализации ЦПЧ. Первый метод основан на дискретизация аналогового сигнала, следствием которой является размножение спектра на гармониках и субгармониках частоты дискретизации с последующим выделением соответствующим фильтром требуемой копии спектра сигнала. Второй метод предполагает преобразование частоты уже цифрового сигнала, представленного своими отсчетами и сводится к прореживанию или дополнению отсчетов. В данной работы рассматривается первый метод.
Цель исследования:
Выявить параметры цифрового преобразователя частоты, подверженные влиянию джиттера опорного генератора.
Краткая задача исследования:
Исследование влияния джиттера на процесс цифрового преобразования частоты методом компьютерного моделирования.
Частные задачи:
1. Анализ факторов, влияющих на процесс цифрового преобразования частоты.
2. Формулировка задач компьютерного моделирования.
3. Разработка компьютерной модели в среде LabVIEW.
4. Исследование влияния джиттера на искажение спектра сигнала.
5. Исследование влияния джиттера на паразитную амплитудную модуляцию сигнала M-QAM.
6. Оценка полученных результатов.
7. Разработка практических рекомендаций по реализации цифровых преобразователей частоты.
Объектом исследования являются системы приема-передачи сигналов.
Предметом исследования является устройство цифрового преобразования частоты
План работы:
1. Цифровое преобразование частоты.
1.1 Теоретические основы цифрового преобразования частоты
1.2 Неидеальности цифровых преобразователей частоты.
1.3 Нестабильность частоты тактового генератора.
2. Компьютерное моделирование цифрового преобразователя частоты.
2.1 Анализ существующих сред компьютерного моделирования
2.2 Разработка имитационной модели.
3. Исследование влияния джиттера на процесс цифрового преобразования частоты.
4. Анализ результатов исследования
В первой главе магистерской диссертации рассматриваются основы дискретизации и субдискретизации, с использованием частоты дискретизации ниже частоты Найквиста. Основные неидеальности реальных цифровых преобразователей частоты. Анализируются существующие методы минимизации вносимых погрешностей. Приведены основные
характеристика джиттера, физическая природа, способы оценки и визуализации.
Во второй главе выполнен обзор существующих методов и сред компьютерного моделирования, описана разработка модели, приведены функциональные и структурные схемы трех вариантов модели. Описаны принципы работы моделей в целом и ключевых алгоритмов. Приведены подробные характеристики, входные и выходные данные всех основных виртуальных инструментов (VI).
В третьей главе, при помощи разработанной имитационной модели, проведены экспериментальные исследования влияния джиттера на процесс ЦПЧ. Исследовано влияние различных частотных составляющих детерминированного джиттера на цифровое преобразование с повышением и понижением частоты, на основе сигнала с квадратурной модуляцией QAM- 16. Проведена оценка частотных и амплитудных искажений сигнала. Сделаны выводы о степени влияния искажений, вносимых дрожанием частоты тактового генератора, управляющего процессом выборки. Приведены рекомендации того, каким частотам детерминированного джиттера следует уделить повышенное внимание при разработке устройств цифрового преобразования частоты как в приемном, так и передающем оборудовании.
В ходе выполнения магистерской диссертации была разработана имитационная модель цифрового преобразователя частоты в среде LabVIEW, позволяющая оценить влияние джиттера на процесс ЦПЧ.
По полученным данным видно, что низкочастотные составляющие детерминированного джиттера оказывают минимальное воздействие на преобразование частоты. Однако, с увеличением частоты
детерминированного джиттера и приближением ее к частоте дискретизации, вносимые искажения увеличиваются. Образуются ложные гармоники, смещаются копии исходного спектра сигнала. Влияние, оказываемое на спектр сигнала при цифровом повышающем и понижающем преобразовании частоты, идентично, и не зависит от типа преобразования.
Уровень фазового шума, сопоставимый с уровнем в реальных синтезаторах частот, не оказывает существенного влияния как на амплитуду, так и на спектр сигнала.
Изменение частоты детерминированного джиттера практически не оказывает влияние на амплитуду сигнала на пологих участках и повышает отклонение от истинного значения с увеличением крутизны участка сигнала и приближении к оси координат. Тем самым с увеличением частоты преобразуемого сигнала, увеличивается погрешность амплитуды, вносимая джиттером.
При разработке цифровых преобразователей частоты, особое внимание следует уделить борьбе с высокочастотными составляющими детерминированного джиттера и близкими по значению с частотой дискретизации, так как именно они вносят наибольшие искажения.
Поставленная в работе цель достигнута, все задачи выполнены:
1) Проведен анализ факторов, влияющих на процесс цифрового преобразования частоты;
2) Сформулированы задачи компьютерного моделирования;
3) Разработана компьютерная модель в среде LabVIEW;
4) Исследовано влияние джиттера на искажение спектра сигнала;
5) Исследовано влияние джиттера на паразитную амплитудную модуляцию сигнала M-QAM;
6) Проведена оценка полученных результатов;
7) Разработаны практические рекомендации по реализации цифровых преобразователей частоты.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
