Спосіб аналого-цифрового перетворення електричних сигналів і позиційний код-імпульсний аналого-цифровий перетворювач електричних сигналів

1 Спосіб аналого-цифрового перетворення електричних сигналів, в якому виконують дискретизацію вхідного аналогового сигналу на дискретні у часі амплітудно-імпульсно модульовані (AIM) у часі ВІДЛІКИ, кожен з яких квантують по рівню шляхом його порівняння з фіксованими рівнями квантування, за результатами чого формують цифровий кодований сигнал, ВІДПОВІДНИЙ ДО даного рівня квантування, який відрізняється тим, що отриманий кодований сигнал далі перетворюють за допомогою дешифратора в унітарний сигнал на одному з його виходів, виконують просторове розміщення унітарного сигналу шляхом запису у відповідну адресну чарунку в запам'ятовуючому пристрої, де подібним чином протягом тривалості одного циклу роботи багагоканальної системи розміщують на різних просторових позиціях унітарні сигнали всіх N каналів, після чого в наступному циклі вмикають на запис другий запам'ятовуючий пристрій, а з першого у ПОСЛІДОВНІ квантовані часові інтервали виконують зчитування, в процесі якого з кожного записаного унітарного сигналу формують кінцевий кодований сигнал у вигляді одиночного позиційного код-імпульсу, який всю повноту цифрової інформації про квантований рівень перетворюваного дискретного AIM відліку містить у своєму розташуванні на ВІДПОВІДНІЙ квантованій часовій позиції в межах одного циклу, де за час зчитування утворюють сукупність позиційних код імпульсів всіх N каналів, після чого сформовані ПОЗИЦІЙНІ код-імпульси в непарних циклах - з першого запам'ятовуючого пристрою, а в парних циклах з другого запам'ятовуючого пристрою подають на виходи перетворювача 2 Позиційний код-імпульсний аналого-цифровий перетворювач (ПКІ АЦП) електричних сигналів, що містить амплітудно-імпульсний модулятор, перетворювач імпульсів та лінії затримки, причому амплітуд но-імпульсний модулятор підключено до входів перетворювачів, а виходи перетворювачів приєднано до входів лінії затримки, який відрізняється тим, що амплітудно-імпульсний модулятор підключено до входу перетворювача напруга-код, m виходів якого приєднано до m входів дешифратора, 2 т виходів якого підключено паралельно до інформаційних входів двох ідентичних оперативних запам'ятовуючих пристроїв (ОЗП), інформаційні виходи яких підключено до входів N ВІДПОВІДНИХ 2т-входових елементів АБО в блоках логічних суматорів, при цьому ідентичні виходи означених блоків попарно з'єднано з ВІДПОВІДНИМИ входами двовходових елементів АБО вихідного блока логічних суматорів, N виходів якого є виходами всього позиційного код-імпульсного аналого-цифрового перетворювача, крім того ПКІ АЦП містить інвертор, вхід якого з'єднано з вхідною клемою керуючого сигналу ЗАПИС/ЗЧИТУВАННЯ, з якою безпосередньо з'єднано вхід одного ОЗП, а вихід інвертора приєднано до аналогічного входу другого ОЗП, генератор адресних сигналів запису, вхід синхронізації якого з'єднано з вхідною клемою синхронізуючого циклового маркера, а N виходів приєднано до ВІДПОВІДНИХ адресних шин обох ОЗП, генератор адресних сигналів зчитування, вхід синхронізації якого також з'єднано з вхідною клемою циклового маркера, а 2 т виходів приєдна Винахід ВІДНОСИТЬСЯ до способів аналогоцифрового перетворення електричних сигналів в цифрових системах зв'язку, управління, контролю, вимірювань, а також в цифрових вузлах телевізійної і радіомовної апаратури Переважною областю застосування можуть бути цифрові системи і пристрої, призначені для роботи в умовах жорсткого ліміту енергетичних ресурсів, наприклад, бортової апаратури систем космічного зв'язку, бортової апаратури телевізій но паралельно до ВІДПОВІДНИХ адресних шин обох ОЗП 42417 них ретрансляторів, апаратури засобів, що знаходяться в автономному плаванні тощо ВІДОМІ способи і пристрої аналого-цифрового перетворення електричних сигналів [1, 2, 3, 4, 5, 6], для яких спільним є отримання дискретних у часі вибірок аналогового сигналу, квантування цих вибірок за амплітудою шляхом порівняння з рівнями квантування і формування за результатами цього порівняння кодових комбінацій імпульсів, відомих як імпульсно-кодова модуляція (ІКМ), які відрізняються поміж собою там чи іншим способом квантування за рівнем та формуванням кодових комбінацій, що відповідають рівням квантування Відомий аналого-цифровий перетворювач зчитування [5], який містить блок порівняльних пристроїв, блок еталонних рівнів, n-розрядний тригерний регістр, блок зчитування, що складається з (2т-1) схем "І", генератор m послідовних у часі тактових імпульсів і пристрій управлінняПрототипом запропонованого способу є спосіб аналого-цифрового перетворення електричних сигналів [4], що грунтується на порівнянні дискретних у часі вибірок аналогового сигналу з набором рівнів квантування і використання результатів квантування для формування цифрового коду Прототипом позиційного код-імпульсного аналого-цифрового перетворювача є позиційний імпульсно-кодовий модулятор [6], який складається з амплітудно-імпульсного модулятора, перетворювача імпульсів та лінії затримки, причому амплітудно-імпульсний модулятор підключено до входів перетворювачів, а виходи перетворювачів приєднано до входів лінії затримки Дискретні у часі вибірки сигналу з виходу амплітудно-імпульсного модулятора надходять на перетворювачі імпульсів, кожен з яких спрацьовує від імпульсу визначеної для нього амплітуди (квантування за рівнем) і виробляє на своєму виході імпульси однакової амплітуди, які далі надходять на декілька відгалужень лінії затримки, причому від кожного перетворювача - на своє сполучення відгалужень, внаслідок чого на виході лінії затримки формуються кодові комбінації з кількох імпульсів, зсунутих у часі між собою завдяки різному часу затримки ВІДПОВІДНО до різних відгалужень лінії (процес кодування) Спільним недоліком всіх згаданих способів аналого-цифрових перетворень і пристроїв є представлення цифрової інформації у вигляді імпульсних кодових комбінацій, які, на думку авторів, є енергетично надлишковими Суттєвим недоліком прототипу пристрою, крім того, є неможливість його використання в багатоканальних цифрових системах Прототип дозволяє сформувати цифровий сигнал у вигляді комбінації з трьох імпульсів, зсунутих у часі між собою, як показано на часових осях 18, 19, 20 і 21 [6] При цьому кодова комбінація відповідає лише одному дискретному відліку і розташовується на всій тривалості інтервалу часової дискретизації, тобто на довжині циклу Тц Для багатоканальної системи застосування такого аналого-цифрового перетворення неприпустиме, бо на інтервалі циклу Тц треба сформувати цифрові сигнали, які відповідають дискретним відлікам не одного каналу, а всіх N каналів В основу винаходу поставлено задачу удосконалити спосіб аналого-цифрового перетворення електричних сигналів шляхом формування прин ципово іншої структури цифрового сигналу у порівнянні з ІКМ, придатної для використання у багатоканальних системах зв'язку, що забезпечує зниження енергетичних витрат на передачу цифрових сигналів, а отже, підвищення економічності цифрових систем Ця задача досягається тим, що у способі аналого-цифрового перетворення сигналів, в якому виконують дискретизацію вхідного аналогового сигналу на дискретні у часі амплітудно-імпульсно модульовані (AIM) у часі ВІДЛІКИ, кожен з яких квантують за рівнем шляхом його порівняння з фіксованими рівнями квантування, за результатами чого формують цифровий кодований сигнал, ВІДПОВІДНИЙ до даного рівня квантування, новим є те, що отриманий кодований сигнал далі перетворюють за допомогою дешифратора в унітарний сигнал на одному з його виходів, виконують просторове розміщення унітарного сигналу шляхом запису у відповідну адресну чарунку в запам'ятовуючому пристрої, де подібним чином, протягом тривалості одного циклу роботи багатоканальної системи, розміщують на різних просторових позиціях унітарні сигнали всіх N каналів, після чого в наступному циклі вмикають на запис другий запам'ятовуючий пристрій, а з першого у ПОСЛІДОВНІ квантовані часові інтервали виконують зчитування, в процесі якого з кожного записаного унітарного сигналу формують кінцевий кодований сигнал у вигляді одиночного позиційного код-імпульсу, який всю повноту цифрової інформації про квантований рівень перетворюваного дискретного AIM відліку містить у своєму розташуванні на ВІДПОВІДНІЙ квантованій часовій позиції в межах одного циклу, де за час зчитування утворюють сукупність позиційних кодімпульсів всіх N каналів, після чого сформовані ПОЗИЦІЙНІ код-імпульси в непарних циклах - з першого запам'ятовуючого пристрою, а в парних циклах з другого запам'ятовуючого пристрою подають на виходи перетворювача Пропонується, на відміну від ІКМ аналогоцифрового перетворення, замість кожної т-розрядної кодової комбінації (КК) формувати лише один імпульс, у часовому положенні якого на точно визначеній квантованій часовій позиції в межах циклу, що складається з N канальних інтервалів tk, міститься вся інформація, котра б передавалась кодовою комбінацією КК, завдяки чому вирішується задача досягнення енергетичної економічності Щоб отримати енергетичний виграш і при цьому укластися у відведену для комунікаційного тракту смугу частот Af, у даному способі потужність ПКІ Рпкі і його тривалість tnKi зберігаються такими ж, як і у окремого імпульсу ІКМ комбінації Рпкі-Ркк, tnKi=tKK Завдяки цьому, такі найважливіші характеристики цифрової системи як смуга використовуваних частот, швидкість передачі, потужність передавача, а отже, і завадостійкість, при застосуванні ПКІ АЦП, залишаються такими ж, як і у ВІДПОВІДНИХ систем, що застосовують ІКМ АЦП При цьому енергетичні витрати при передачі одного ПКІ замість КК, яка містить у середньому т/2 імпульсів, зменшуються також у т/2 разів При застосуванні ПКІ АЦП треба мати L часових позицій, на одній з яких має розташовуватись ПКІ, який відображає цифрове значення даного конкретного AIM відліку, що значно перевищує кі 42417 лькість розрядних позицій ВІДПОВІДНОЇ т-розрядної кодової комбінації (при застосуванні двійкового коду l_=2m) У сучасних цифрових системах т = 7 8 Отже, для передачі замість однієї восьмирозрядної кодової комбінації одного ВІДПОВІДНОГО ПКІ треба мати не 8, а І_=28=256 дискретних часових позицій, на одній з яких і буде розташовано ПКІ, що передається ПКІ Але така КІЛЬКІСТЬ часових позицій в цифровій системі відводиться для передачі не однієї КК, а цілого циклу, який містить N кодових комбінацій і займає L=mN=2m часових позицій Відтак, на форматі одного циклу, що має L часових позицій, треба розмістити не один ПКІ, а ПКІ всіх N каналів Щоб реалізувати таку можливість, в способі, що пропонується, передбачено резерв часу, тривалістю рівно в один цикл Тц Цей резерв одержують за рахунок переключення по черзі на запис і зчитування циклів, які ідуть один за одним Формування позиційних код-імпульсів ПКІ виконують у два етапи, тривалість кожного з яких дорівнює тривалості циклу Тц На етапі першого n-го циклу відбувається запис кодових комбінацій КК усіх N каналів в перший оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП) На другому етапі - в наступному (п+1)-му циклі - запис здійснюють у другий ОЗП, а перший ОЗП зберігає записану там інформацію Це дозволяє за час цілого циклу виконати її зчитування, і у процесі зчитування сформувати всю сукупність ВІДПОВІДНИХ код-імпульсів Далі цикл за циклом режими роботи ОЗП по черзі змінюються В основу винаходу на пристрій покладено задачу реалізації можливості формування цифрового сигналу не у вигляді m-розрядноі кодової комбінації, як у прототипі на спосіб [4], а також не у вигляді 3-х імпульсної кодової комбінації, як у прототипі на пристрій [6], а у вигляді одиночного позиційного код-імпульсу, завдяки чому досягається певний енергетичний виграш Ця задача досягається тим, що у аналогоцифровому перетворювачі електричних сигналів, що містить амплітудно-імпульсний модулятор, перетворювач імпульсів та лінії затримки, причому амплітудно-імпульсний модулятор підключено до входів перетворювачів, а виходи перетворювачів приєднано до входів лінії затримки, новим є те, що амплітудно-імпульсний модулятор підключено до входу перетворювача напруга-код, m виходів якого приєднано до m входів дешифратора, 2 т виходів якого підключено паралельно до інформаційних входів двох ідентичних оперативних запам'ятовуючих пристроїв (ОЗП), інформаційні виходи яких підключено до входів N ВІДПОВІДНИХ 2т-входових елементів АБО в блоках логічних суматорів, при цьому ідентичні виходи означених блоків попарно з'єднано з ВІДПОВІДНИМИ входами двовходових елементів АБО вихідного блоку логічних суматорів, N виходів якого є виходами всього позиційного код-імпульсного аналого-цифрового перетворювача, крім того, ПКІ АЦП містить інвертор, вхід якого з'єднано з вхідною клемою керуючого сигналу ЗАПИС/ЗЧИТУВАННЯ, з якою безпосередньо з'єднано вхід одного ОЗП, а вихід інвертора приєднано до аналогічного входу другого ОЗП, генератор адресних сигналів запису, вхід синхронізації якого з'єднано з вхідною клемою синхронізуючого циклового маркера, а N виходів приєднано до ВІДПОВІ ДНИХ адресних шин обох ОЗП, генератор адресних сигналів зчитування, вхід синхронізації якого також з'єднано з вхідною клемою циклового маркера, а 2 т виходів приєднано паралельно до ВІДПОВІДНИХ адресних шин обох ОЗП На фіг 1 наведено функціональну схему позиційного код-імпульсного аналого-цифрового перетворювача (ПКІ АЦП), який реалізує запропонований спосіб аналого-цифрового перетворення електричних сигналів На фіг 2, 3, 4, 5 наведено ВІДПОВІДНІ часові діаграми На фіг 1 1 - це амплітудно-імпульсниймодулятор, ВІДПОВІДНО до прототипу [6], вхід якого є інформаційним входом всього ПКІ АЦП, що є винаходом, 2 - перетворювач напруга-код за способом [4], m виходів якого приєднано до m входів дешифратора 3, 2 т виходів ввімкнені паралельно до інформаційних входів двох 4 і 5, працюючих по черзі на запис і зчитування у парному і непарному циклах, оперативних запам'ятовуючих пристроїв (ОЗП), що мають ємність M=N2m, кожен з яких містить N адресних шин запису X,, де і - номер канального інтервалу на форматі циклу (і=0, 1,2 N), по 2 т елементів пам'яті (ЕП) на кожній шині і 2 т адресних шин зчитування YB ПО N елементів пат м'яті на кожній шині, 2 виходів елементів пам'яті з кожної адресної шини X, кожного з двох ОЗП підключено до входів N ВІДПОВІДНИХ 2т-входових елементів АБО блоків логічних суматорів 6, 7, виходи яких і є виходами , на котрих у процесі почергового зчитування утворюються І-ТІ ПКІ (почергово у парних і непарних циклах), при цьому ідентичні виходи блоків 6 і 7 попарно приєднані до двовхідних елементів АБО кінцевого блоку логічних суматорів 8, N виходів якого і є виходами всього ПКІ АЦП Клема для подачі керуючого сигналу ЗАПИС-ЗЧИТУВАННЯ приєднана безпосередньо до ВІДПОВІДНОГО електроду одного ОЗП, а до входу другого ОЗП - через інвертор 9 Крім того, ПКІ АЦП містить генератор 10 адресних сигналів X,, вхід синхронізації якого з'єднано з клемою, через яку надходить синхронізуючий цикловий маркер, а N виходів приєднано паралельно до ВІДПОВІДНИХ адресних шин обох ОЗП, генератор 11 адресних сигналів зчитування YB, ВХІД синхронізації якого також приєднано до вхідної клеми циклового маркера, а l_=2m виходів приєднано паралельно до ВІДПОВІДНИХ адресних шин обох ОЗП (тут В=0, 1, 2т-1 номер квантованої часової позиції на форматі циклу) Розглянемо застосування запропонованого способу аналого-цифрового перетворення електричних сигналів на прикладі роботи запропонованого позиційного код-імпульсного аналого-цифрового перетворювача Принцип дії ПКІ АЦП полягає у тому, що кожен і-ий дискретний AIM ВІДЛІК (фіг 2), перетворюється в ПНК 1 у відповідну т розрядну кодову комбінацію КК, яка у паралельному вигляді надходить на входи дешифратора З, де, у свою чергу, перетворюється в сигнал логічної одиниці на одному з його 2 т виходів, номер В якого точно відповідає квантованому значенню дискретного AIM відліку Адресним сигналом X,, який за тривалістю і часом своєї появи співпадає з ВІДПОВІДНИМ І-М канальним інтервалом, інформація з усіх 2 т виходів дешифратора (одна одиниця і 2т-1 нулів) записується паралельно в 2 т елементів па 42417 м'яті І-ОІ числової ЛІНІЙКИ ОЗП 4 Таким же чином такт за тактом інформацію про всі N дискретні AIM ВІДЛІКИ одного п-го циклу буде записано з виходів дешифратора в числові ЛІНІЙКИ ОЗП 4 за адресами X, В результаті цього одиниці всіх каналів після циклу запису будуть розміщеними в ОЗП на різних елементах пам'яті за адресами X,, YB, тобто на різних просторових позиціях (фіг 3) Перетворення просторових позицій в дискретні часові позиції, тобто формування самих ПКІ відбувається у процесі зчитування інформації з ОЗП 4 у наступному (п+1) циклі В цьому циклі інформація записується в друге ОЗП 5, а перше ОЗП 4 переключається з режиму запису в режим зчитування Тривалість адресних YB сигналів зчитування tyB=Tu/2m, де Тц тривалість циклу, визначає тривалість квантованих часових позицій, на яких розташовуються ПКІ, а отже, і тривалість самих ПКІ Адресний сигнал Yo зчитує одночасно інформацію з тих елементів пам'яті всіх N числових ЛІНІЙОК, які знаходяться на нульовій адресній шині, сигнал Yi - на першій шині і т п (фіг 4) Внаслідок цього записані на різних просторових позиціях в ОЗП 4 інформаційні одиниці протягом циклу зчитування виведуться з ОЗП 4 і з'являться на ВІДПОВІДНИХ квантованих часових позиціях, кожна у своєму паралельному колі Та ким чином, будуть сформовані всі ПОЗИЦІЙНІ КОДімпульси (фіг 5), котрі і є вихідними сигналами ПКІ АЦП, який є винаходом, режими роботи ОЗП 4 і ОЗП 5 на запис і зчитування цикл за циклом по черзі змінюються Джерела інформації 1 А -Й К Марцинкявичус и др Быстродействующие интегральные схемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров - М Радио и свіязь, 1988 2 Описание изобретения к авторскому свидетельству № 4152651/24-24, кл НОЗМ1/46, 1986 Е В Кожухова, В И Титков 3 Reeves FH Французский патент № 852,183, 1938 4 Описание к патенту Российской Федерации № 4943704/24, кл НОЗМ1/36, 1991 Гельман М М Способ аналого-цифрового преобразования электрических сигналов 5 Описание изобретения СССР к авторскому свидетельству № 429524, кл Н03К13/02, 1971 А И Воителев, Л М Лукьянов, Д А Водар 6 Описание изобретения к авторскому свидетельству № 217709, кл Н03К13/02, 1968 Б А Казимиров Позиционный импульсно-кодовый модулятор 42417 г-" -г.: О СО І О ! 1 і t D WR4 Є гт гО С\І is: is: CQ о дискретні AIM відліки в канальних інтервалах K t Q l K t 1 І К І 2 П-и КІ28 КІ29 КІЗО ЇЙ 31