19 ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО ДАЛЬНОМЕРА - Страница 12

7.3. Реализация способа, основанного на преобразовании Фурье

 

Очевидно, что спектральная обработка возможна только при полностью цифровой структуре СПО и цифровом формировании зондирующего сигнала. Необходимая разрядность АЦП уже обсуждалась в разделе 7.2. При динамическом диапазоне входных сигналов 60 дБ необходимо иметь 16 двоичных разрядов. Разрядность можно снизить до 14 двоичных разрядов, если в структуре СПО предусмотреть каскад АРУ с цифровым управлением от процессора.

При спектральной обработке имеются особенности, связанные с обеспечением требуемой точности измерения и минимизацией при этом необходимого количества операций и требуемого объёма памяти. Как сказано в разделе 5, для достижения заданной точности измерения приходится принимать меры для увеличения размера исходного массива.

Обработка сигнала производится в два этапа.

На первом этапе производится вычисление спектра с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) при небольшом исходном числе обрабатываемых отсчётов , обеспечивающих требуемую частоту дискретизации в одном полупериоде модуляции. Этот расчёт позволяет грубо оценить примерное положение центра спектра. При этом разрешение по частоте невелико.

Затем на втором этапе производится расчёт спектра с помощью дискретного преобразования Фурье (ДПФ), но при увеличенном количестве обрабатываемых отсчётов. Для увеличения разрешения по частоте производится расширение массива обрабатываемых отсчётов добавлением нулевых отсчётов до количества, обеспечивающего нужную погрешность, т.е. искусственное увеличение периода повторения сигнала. При этом физически нулевые отсчёты никуда не записываются. Просто в формуле ДПФ используется новое, увеличенное значение числа отсчётов. Перебор вычисляемых гармоник ведётся только в интересующей частотной полосе вблизи предварительно грубо оценённого положения центра спектра. Такой подход позволяет экономить размер потребной памяти и минимизировать время расчёта. По полученному спектру находится оценка средней частоты. Требуемый объём памяти для хранения отсчётов спектра равен .

Для реализации этого способа необходимо обеспечить линейную ЧМ с помощью линеаризации за счёт внесения предискажений в модулирующее напряжение или путём прямого цифрового синтеза частоты зондирующего сигнала.

Оценка центральной частоты рассчитанного спектра может выполняться различными способами. Например, по положению максимального отсчёта спектра или с помощью оценки центра тяжести спектра по формуле (5.4).

Необходимая разрядность процессора определяется разрядностью промежуточных операций при вычислении дискретного и быстрого преобразований Фурье. Для таких вычислений необходимо использовать самые современные микропроцессоры. Например, сигнальные процессоры фирм Analog Devices и Texas Instruments.

 

7.4. Цифровое устранение нелинейности МХ

 

При цифровом формировании модулирующего напряжения устранение нелинейности МХ достигается путём внесения в него предискажений, вычисленных на основе косвенной оценки МХ. Форма модулирующего напряжения в виде дискретных отсчётов записывается в память микропроцессора. Количество таких отсчётов, необходимое для описания формы этой функции, зависит от степени нелинейности, как правило, невелико и составляет несколько сотен. Количество ячеек памяти для хранения  отсчётов напряжения модуляции зависит от того, каким образом обрабатывается  СРЧ.

Если обработка ведётся в цифровом виде, то модулирующее напряжение может иметь вид ступенчатой функции, в которой количество ступенек соответствует количеству записываемых отсчётов СРЧ: . На каждой ступеньке, соответствующей одной излучаемой частоте, записывается в память один цифровой отсчёт СРЧ [28].

Если обработка СРЧ ведётся аналоговым способом, путём усиления, фильтрации и бинарного амплитудного квантования, то модуляция должна быть непрерывной для чёткого выделения нулей и экстремумов СРЧ. Поэтому число ступеней модулирующей функции должно быть существенно больше (не менее 1000) и она должна подвергаться аналоговой фильтрации.  Однако число ячеек памяти при этом может быть прежним, т.к. большее число ступеней можно формировать с помощью интерполяции. И только в том случае, когда процессор не успевает выполнять интерполяцию, лучше вычислить все ступеньки заранее, хранить их в памяти и при работе только выдавать из процессора на ЦАП.

Подготовка отсчётов, необходимых для такого формирования модулирующего напряжения, может выполняться в квазистатическом режиме [4,28], когда на каждой ступеньке процессор находит напряжение модуляции, необходимое для генерирования нужной частоты. Статический вариант оценки МХ требует существенного усложнения ППМ СВЧ за счёт введения в него устройств, позволяющих понизить частоту сигнала путём переноса за счёт гетеродинирования [4] или за счёт прямого деления частоты с помощью счётчиков [28]. Необходимое число разрядов процессора и ЦАП определяем по (7.4). Такую процедуру калибровки, формирования модулирующего напряжения и запись отсчётов СРЧ может выполнять один процессор. Обработку СРЧ и вычисление расстояния при этом должен осуществлять другой процессор.

Другой вариант оценки МХ  [29-32] является динамическим и основан на анализе неравномерности периодов СРЧ. Формирование отсчётов модулирующего напряжения производится итерационным способом по формуле (6.13) с учётом (6.11). Требуемая разрядность процессора и ЦАП прежние.

Заключение

 

Приведённый выше материал не охватывает всех вопросов, связанных с проектированием ЧМ дальномеров. Рассмотрены не все возможные МСДО. Совершенно не затронуты вопросы влияния на погрешность измерения шумов и различных факторов, связанных с технической реализацией. Ограниченный объём учебного пособия позволяет изложить только основные  проблемы, имеющие самое непосредственное отношение к цифровой реализации. Однако приведённой информации достаточно для того, чтобы прочувствовать специфику этой области цифровой обработки сигналов и характер вопросов, возникающих при решении практических задач.

 

Библиографический список

 

  1. Астафьев Г.П., Шебшаевич В.С., Юрков Ю.А. Радиотехнические средства навигации летательных аппаратов.  М.: Сов. радио, 1962.  964 с.
  2. Жуковский А.П., Оноприенко Е.И., Чижов В.И. Теоретические основы радиовысотометрии / Под ред А.П. Жуковского.  М.: Сов. радио, 1979. 320 с.
  3. Теоретические основы радиолокации / Под ред Я.Д. Ширмана. М.: Сов. радио,1970. 560 с.
  4. Patent USA № 5387918. Method and arrangement for measuring distances using the reflected beam principle / W. Wiesbeck, J. Kehrbeck, E. Heidrich. Date of Patent - Feb. 7, 1995.
  5. Patent USA  № 5546088. High-precision radar rang finder / G. Trummer, R. Korber. Date of patent – Aug. 13, 1996.
  6. Виницкий А.С. Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн.  М.: Сов. радио. 1961. 495 с.
  7. Кагаленко Б.В., Марфин В.П., Мещеряков В.П. Частотный дальномер повышенной точности // Измерительная техника.  1981.  № 11. С. 68-69.
  8. Кальмус Г., Качерис Дж., Дропкин Г. Частотно-модулиро-ванный альтиметр с недискретным отсчётом //  Вопросы радиолокационной техники. 1954.  № 3.
  9. Schilz W., Jacobson R., Schiek B. Mikrowellen Entfernungswebsystem mit ±2,5 mm Genauigkeit // Mikrowellen Magazin.  1976.  № 2.  S. 102 –107.
  10. Imada H., Kawata Y. New Measuring Method for a Microwave Range Meter // Kobe Steel Eng. Repts.  1980.  Vol. 30. № 4. P. 79-82.
  11. В.П. Марфин, А.И. Кияшев, Ф.З. Розенфельд и др. Радиоволновый бесконтактный уровнемер повышенной точности  // Измерительная техника.  1986.  № 6.  С . 46-48.
  12. А.с. 1141354 СССР, МКИ G01S 13/08. Частотно-модулированный радиодальномер / Б.В. Кагаленко, В.П. Мещеряков.  Опубл. 23.02.85.  Бюл. №7.
  13. А.с. 1123387 СССР, МКИ G01S 13/34. Радиодальномер / Б.В. Кагаленко, В.П. Мещеряков.  Опубл. 07.10.84.  Бюл. №41.
  14. А.с. 1230423 СССР, МКИ G01S 13/34, 13/08. Радиодальномер с частотной модуляцией / Б.В. Кагаленко, В.П  Мещеряков. Опубл. 7.05.86. Бюл. №17.
  15. Мещеряков В.П. Разработка и исследование частотно-модулированных радиодальномеров повышенной точности: Дис. на соискание учёной степени канд. техн. наук. Рязань. 1986.
  16. Пат. РФ № 2159923 Радиолокационный уровнемер / Б.А. Атаянц, В.В. Езерский, А.И. Смутов.  Опубл. 27.11.2000.  Бюл. № 33.
  17. Алексеенко А.М., Горюнов И.В., Мякиньков В.Ю., Новоселец И.В., Петров И.С., Рогов В.И. Состояние и перспективы развития генераторов СВЧ с повышенной линейностью варакторной перестройки частоты // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 1998. Выпуск 2 (472). С.41.
  18. Пат. РФ № 2151408 Радиолокационный дальномер / Б.А. Атаянц, В.А. Болонин, В.В. Езерский, Б.В. Кагаленко, А.И. Смутов.  Опубл. 20.06.2000.  Бюл. № 17.
  19. Езерский В.В., Болонин В.А. Оценка погрешности измерения ЧМ уровнемера с адаптивной модуляцией // Радиоэлектронные системы и устройства: Межвуз. сб. / Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 1999. С. 28.
  20. Езерский В.В., КагаленкоБ.В., Болонин В.А. Адаптивный частотно-модулированный уровнемер. Анализ составляющих погрешности  измерения  // Датчики и системы. 2002.  №7. С. 44.
  21. Заявка 30-1591 Японии, МКИ G01S 13/34. Способ измерения дальности при помощи частотно-модулированного сигнала и радиолокационная станция с частотной модуляцией // Изобретения стран мира. 1985. №15. С.29.
  22. Езерский В.В. Весовая обработка сигналов частотного дальномера повышенной точности // Межвуз. сб. науч. тр. “Обработка сложных сигналов с применением цифровых устройств и функциональной электроники”. РГРТА, 1996. С.56.
  23. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М.: Наука, 1966. 664 с.
  24. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений.  М.: Наука, 1971.  1108 с.
  25. Корн Г. ,Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров.  М. : Наука, 1970.  720 с.
  26. Ф. Дж. Хэррис Использование окон при гармоническом анализе методом дискретного преобразования Фурье. // ТИИР, т. 66, №1, 1978, с. 60-96.
  27. Езерский В.В. Современное состояние и тенденции развития неконтактных датчиков расстояния на основе частотно-модулированных дальномеров // 1-й Международный радиоэлектронный форум “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” МРФ – 2002. Сб. науч. тр. Часть 2. Харьков, 2002. С. 490 .
  28. Patent USA № 6107957 Radar level gauge / S. Cramer, R. Gluth, T. Schake, B.E. Richter. Date of patent Aug. 22, 2000.
  29. Езерский В.В., Баранов И.В., Болонин В.А. Компенсация нелинейности модуляционной характеристики ЧМ-дальномера на основе анализа принятого сигнала // Датчики и системы: Сб. докл. международной конференции. Т.1. С.-Петербург, 2002 г. С. 218.
  30. Езерский В.В., Баранов И.В., Болонин В.А. Алгоритм компенсации нелинейности модуляционной характеристики ЧМ дальномеров // Вестник РГРТА. Рязань. 2002. № 10. С. 38.
  31. Заявка на изобретение № 2002133946. Способ измерения расстояния / Б.А. Атаянц, В.А. Болонин, И.В. Баранов, В.В. Езерский, В.М. Давыдочкин, В.А. Пронин. Заявл. 18.12.2002 г.
  32. Езерский В.В., Болонин В.А., Баранов И.В., Давыдочкин В.М., Пронин В.А. Обработка сигналов датчика расстояния на основе частотного дальномера с учётом нелинейности модуляционной характеристики передатчика // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления. “Датчик – 2003”: Материалы конференции. Крым. Гурзуф. 2003. С. 101.
  33. Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радио связи. М.: Радио и связь, 1991. 264 с.
  34. Лучков В.Г., Шамшин С.В. Формирование спектрально-чистых колебаний в цифровых вычислительных синтезаторах частот// Радиотехника. 1991. № 7.  С.16.
  35. Пат. РФ №  2126145. Уровнемер / В.В. Либерман, В.Л. Костромин, С.А. Новиков, А.В. Либерман, Ю.Г. Нечепуренко, Г.В.  Алексин. Опубл. 10.02.99. Бюл. № 4.
  36. Аблин А.Н., Могилевская Л.Я., Хотунцев Ю.Л. Транзисторные и варакторные устройства. М.: Радио и связь, 1995. 160 с.
  37. Атаянц Б.А., Болонин В.А., Езерский В.В., Мирошин С.В. Требования к цифровой реализации адаптивного ЧМ уровнемера // Цифровая обработка сигналов и её применение: Докл. 3-й Международной науч.-техн. конф. Доклады 2. Москва, 2000. С. 215.
  38. Езерский В.В., Болонин В.А.,  Баранов И.В.  Цифровая обработка сигнала ЧМ дальномера с весовым сглаживанием дискретной ошибки // Цифровая обработка сигналов и её применение: Доклады 5-й международной конференции. Том 1. Москва. 2003. С. 235.
  39. Езерский В.В. Сравнительный анализ методов сглаживания дискретной ошибки в ЧМ  дальномерах // Радиолокация, навигация, связь: Доклады VIII Междунар. науч.-техн. конф. Т.3. Воронеж, 2002. С. 2000.