8. ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Научно-технический прогресс в области УПиОС проявляется в создании новых технических средств, обладающих лучшими показателями и более широкими функциональными возможностями.
Основа развития УПиОС – это достижения фундаментальных и прикладных наук, развитие теоретической базы техники радиоприема, успехи электроники.
Важными направлениями совершенствования УПиОС являются:
интеллектуализация УПиОС за счет использования средств вычислительной техники;
повышение помехоустойчивости;
освоение широкого диапазона радиоволн: от миллиметрового до сверхдлинных;
построение радиоприемных устройств, адаптивных к состоянию радиоканала;
использование функционально сложных интегральных микросхем;
комплексная автоматизация приемных устройств;
автоматизированное проектирование УПиОС.
На практике находят применение новые виды сигналов. Определение вида модуляции принимаемых сигналов является актуальной проблемой при решении многих прикладных задач. Для систем передачи дискретной информации используются такие перспективные виды сигналов, как поляризаци- онно-манипулированные сигналы (ПМН) с непрерывным изменением параметров поляризации. Информационные параметры ПМН сигналов – это параметры поляризации волны (углы ориентации и эллиптичности). Передача данных сигналов осуществляется путем манипуляции одного или двух параметров поляризации, изменение которых происходит по непрерывному закону.
В перспективных радионавигационных системах с ограниченным частотным ресурсом широкое применение получают шумоподобные сигналы (ШПС). ШПС все чаще применяют в радиолокации и системах связи. Помехоустойчивость систем передачи информации с ШПС определяется базой используемых сигналов. Для формирования ШПС используется большое число двоичных, линейных и нелинейных псевдослучайных последовательностей (ПСП). Одной из основных проблем при приеме ШПС является осуществление поиска сигнала по времени запаздывания с точностью, достаточной для захвата сигнала системой кодовой синхронизации. Методы поиска ШПС основаны на применении активных (корреляторы) или пассивных согласованных фильтров.
Приоритетным направлением развития радиоэлектроники является
Устройства приема и обработки сигналов. Учеб. пособие |
-278- |
8. ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
внедрение цифровых методов синтеза и обработки сигналов. В связи с непрерывным усложнением РЭА, разнообразием типов сигналов, возрастающими требованиями к точности их обработки и помехоустойчивости прослеживается тенденция унификации тракта обработки, которая решается путем применения радиоприемных устройств с цифровой обработкой. Цифровая обработка наиболее эффективна для сигналов, поступающих по «цифровым» каналам связи. Применение сигналов известной формы, в которых цифровая информация заложена в изменении их параметров, позволяет реализовывать цифровыми методами оптимальную обработку.
Появление сверхбольших интегральных схем (СБИС) позволило решать задачу синтеза микропроцессоров с аппаратной реализацией, создавать мощные системы коммутации и осуществлять перестройку архитектуры микропроцессорных систем за счет программирования многочисленных каналов связи [24].
В настоящее время проблема повышения эффективности использования радиочастотного спектра (РЧС) в радиосвязи выходит во всем мире на передний план, диктуя необходимость развития цифровых методов вещания и связи [25].
Задача перспективного звукового вещания решается путем создания новых систем, созданных таким образом, чтобы обеспечить качество звучания программ при различных условиях приема. Этим требованиям удовлетворяет цифровое радиовещание (ЦРВ).
Благодаря применению эффективных методов цифровой обработки и передачи звуковых вещательных сигналов достигается следующее:
возможность при соответствующем выборе метода кодирования практически полной коррекции искажений, возникающих в канале передачи;
возможность приема звуковых программ в условиях селективных как по частоте, так и по времени замираний;
экономичное использование радиочастотного спектра;
снижение необходимой мощности передатчика;
высокая технологичность радиоприемников и устройств обработки сигналов (например, многоцелевые цифровые сигнальные процессоры позволяют выполнить модуляторы и демодуляторы на основе программных средств);
снижение стоимости аппаратуры.
Одна из наиболее перспективных систем – это система цифрового радиовещания Eureka 147/DAB.
Пользователь услуги цифрового радиовещания стандарта DAB помимо возможности высококачественного приема нескольких моно- и стереофонических программ имеет возможность дополнительно принимать (одновременно со звуковыми сигналами) буквенно-цифровую и/или графическую информацию. В России опытные зоны экспериментального ЦРВ планируется реализовать в L-диапазоне (полоса в диапазоне 1,5 ГГц). Уже в настоящее время элементная база позволяет реализовать однокристалльный DAB-
Устройства приема и обработки сигналов. Учеб. пособие |
-279- |
8. ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
приемник.
Для радиолокационных систем перспективно применение твердотельных активных фазированных активных решеток (АФАР). Появление твердотельных решеток стало возможным только в последние три десятилетия в связи с успехами в создании твердотельных СВЧ-элементов. Твердотельные АФАР позволяют радикально повысить функциональные (количество независимых сканирующих лучей) и эксплуатационные (надежность, коэффициент полезного действия и др.) характеристики систем и гибкость управления, достигаемую благодаря удобству их комплексирования со специализированными универсальными ЭВМ.
Развитие радиолокационной техники также в значительной степени обусловлено прогрессом в развитии аппаратных и программных средств цифровой обработки сигналов (ЦОС). Развитие средств ЦОС реального времени позволяет решать задачи цифровой первичной обработки на основе гибридных кристаллов, которые содержат программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) со встроенными аппаратными умножителями для реализации поточных высокопроизводительных вычислений цифровой согласованной фильтрации и обнаружения, а также первичной цифровой обработки сигналов для реализации алгоритмов определения координат и др.
Вся система цифровой первичной обработки реализуется в составе одной микросхемы. К основным схемотехническим принципам аппаратной реализации устройств первичной обработки радиолокационных сигналов относятся следующие:
выполнение дискретизации сигнала на промежуточной частоте;
цифровое преобразование действительного сигнала на промежуточной частоте в комплексный (квадратурный) сигнал на видеочастоте (демодуляция);
использование вычислителей быстрого преобразования Фурье в качестве основных алгоритмических модулей согласованной фильтрации;
реализация алгоритмов согласованной фильтрации и обнаружения на основе специализированных микросхем, реализующих высокие степени параллелизма вычислительных операций, в частности ПЛИС;
реализация алгоритмов формирования единичных замеров целей на основе универсальных или сигнальных процессоров [26, 27].
За последние годы достигнуты значительные результаты в области разработки новой элементной базы, технологий создания и производства РЭА [28]. К ним можно отнести:
появление высокопроизводительных цифровых сигнальных процес-
соров;
создание большого количества вентилей на одном кристалле (до 109 единиц);
создание ОУ с полосой в сотни мегагерц;
Устройства приема и обработки сигналов. Учеб. пособие |
-280- |
8.ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
появление АЦП с быстродействием до 100 МГц при разрядности
12 бит;
появление принципиально новых компонентов – цифровых квадратурных преобразователей, «чипсетов» для цифровых радиоприемных устройств, БИСинтерфейсов, программируемыханалоговыхинтегральныхсхем;
выпуск недорогих массовых микроконтроллеров, позволяющих реализовать функции управления и интерфейса системы;
широкое применение систем автоматизированного проектирования
(EDA-систем – Electronic Design Automation), включающих в себя средства моделирования и проектирования аналоговых и цифровых устройств и т.д.;
появление идеологии разработки «система-на-кристалле» (System on chip – SOC);
распространение поверхностного монтажа и технологий межсоединений с высокой плотностью.
Важное значение в дальнейшем совершенствовании радиоэлектронной аппаратуры будут играть нанотехнологии.
Развитие нанотехнологий даст возможность создать новые наноэлектронные компоненты. Уже сейчас появились нанотранзисторы на основе нанотрубок. Прогнозируется, что уже к началу 2020-х годов может наступить несиликоновая эра [29].
По имеющимся оценкам [30] к 2015 г. миниатюризация микропроцессов достигнет технического и экономического порогов, а нанотехнологии позволят идти по этому пути дальше. Будущие транзисторы будут органическими молекулами или неорганическими наноструктурами, за счет чего будут достигаться высокие скорости, уменьшится потребность в энергопотреблении и сократится число побочных эффектов, связанных с нагревом материалов.
Важное значение при разработке и производстве радиоэлектронной аппаратуры имеет использование технологии управления жизненным циклом изделия (английская аббревиатура PLM – от Product Lifecycle Management). Ключевыми компонентами PLM являются управление данными об изделии
(PDM – Product Data Management), коллективная разработка изделия (COD – Collaborative Product Development), автоматизированное проектирование (САD – Computer-Clided Design), автоматизированное конструирование (CAE
–Computer-Clided Engineering), управление производственными процессами
(MPM – Manufakturing Process Management).
Использование PLM позволяет сократить время выхода радиоэлектронной аппаратуры (или ее модернизации) на рынок, улучшить качество радиоэлектронной аппаратуры, повторно использовать оригинальные данные о радиоэлектронной аппаратуре, производить оптимизацию радиоэлектронной аппаратуры, добиваться сокращения затрат благодаря полной интеграции инженерных процессов и др.
Трансформация макетирования и натурного моделирования в матема-
Устройства приема и обработки сигналов. Учеб. пособие |
-281- |
8. ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
тическое с возможностью представления приемного устройства его экспериментальными характеристиками привело к появлению на рабочих местах проектировщиков специализированных САПР виртуальных инструментов. Эти САПР обладают средствами для создания виртуальных радиоизмерительных устройств, а также средствами обработки данных (пример – система LabVIEW). Комбинирование САПР функционального моделирования и САПР виртуальных инструментов позволяет не только создать модель устройства приема и обработки сигналов, но и детально исследовать ее поведение.
Вывод
Радиоинженер-разработчик УПиОС должен отслеживать тенденции совершенствования аппаратуры и быть готовым использовать в новых разработках самые совершенные решения.
Устройства приема и обработки сигналов. Учеб. пособие |
-282- |