Перенос частотстоты вниз Опции

[SergiRF]

Hi
Я новичок в ЦОС, поэтому прошу не гнобить сразу!
Задача:
Есть сигнал на несущей частоте 50 кГц, узкрполосный - ширина спектра по уровню -3дБ = 2 кГц
Сигнал требуется оцифровать и передать
Сигнал семплируется АЦП с частотой 150 кГц
Требуется написать алгоритм на С позволяющий перенести частоту вниз, НО не без использования IQ, тоесть это НЕ DDC
На входе алгоритма будет семплирование 150 кГц, а на выходе должна быть в пределах 10 кГц.
И большое ограничение - алгоритм не должен быть требовательным к ресурсам, код будет компилится под 8и битный pic18, но и требований к точности нет.
Вообще то, как бы понятно - опорник, смеситель, ФНЧ. Но не представляю как это можно на С описать.
Есть идеи?

[SergiRF]

На счет схемы: использовать внешние аналоговые смесители не хочется совсем. Сначала попробую все таки всунуть ФНЧ с децемацией в PIC18. Хотя сильно сомневаюсь.

[sup-sup]

На счет схемы: использовать внешние аналоговые смесители не хочется совсем. Сначала попробую все таки всунуть ФНЧ с децемацией в PIC18. Хотя сильно сомневаюсь.

Кроме резкого сокращения вычислительных затрат добавка такого аналогового 'сопроцессора' позволит увеличить динамический диапазон (если надо) за счет аналоговой фильтрации после смесителя или снизить требования к применяемому контроллеру. Недостатки, кроме зеркального канала, дополнительные паразитные каналы приема на кратных сигналу и гетеродину частотах, что легче подавить преселектором, в отличие от зеркального канала. В принципе, можно сдублировать аналоговую часть и для канала Q, только два таймера надо для гетеродинов I и Q. Зато контроллер слабенький и нежрущий.

[SergiRF]

Кроме резкого сокращения вычислительных затрат добавка такого аналогового 'сопроцессора' позволит увеличить динамический диапазон (если надо) за счет аналоговой фильтрации после смесителя или снизить требования к применяемому контроллеру. Недостатки, кроме зеркального канала, дополнительные паразитные каналы приема на кратных сигналу и гетеродину частотах, что легче подавить преселектором, в отличие от зеркального канала. В принципе, можно сдублировать аналоговую часть и для канала Q, только два таймера надо для гетеродинов I и Q. Зато контроллер слабенький и нежрущий.

Тогда еще придется два два смесителя делать, скажем на операционниках. В качестве гетеродина - сигналы от PIC (CCP modul). Но не получится использовать встроенный в PIC ADC, так как нельзя одновременно захватывать два канала I & Q

ДА И вообще, если уже использовать внешний смеситель - просто переносим сигнал на новую ПЧ (скажем 5 кГц), далее полосовой фильр и просто оцифровываем. Так как скорость семплирования небольшая, можно вообще в baseband не переносить.
У меня задача - оцифровать, запомнить и проиграть, так что главная задача - понизить скорость семплирования и все.
Хотя этот вариант конечно не очень. Можно эффективнее

[sup-sup]

Тогда еще придется два два смесителя делать, скажем на операционниках. В качестве гетеродина - сигналы от PIC (CCP modul). Но не получится использовать встроенный в PIC ADC, так как нельзя одновременно захватывать два канала I & Q

ДА И вообще, если уже использовать внешний смеситель - просто переносим сигнал на новую ПЧ (скажем 5 кГц), далее полосовой фильр и просто оцифровываем. Так как скорость семплирования небольшая, можно вообще в baseband не переносить.
У меня задача - оцифровать, запомнить и проиграть, так что главная задача - понизить скорость семплирования и все.
Хотя этот вариант конечно не очень. Можно эффективнее

Я не знал, что у PIC нет мультиплексора ADC. Или, все-таки, есть?
Если перенести на 5 кГц, то это действительно, будет сигнал, а не огибающая.
А фильтр, наверняка, лучше применить БИХ (рекурсивный), так как он более легкий по реализации не на dsp-контроллере.
Фильтр то должен, по крайней мере, первый каскад, работать на Fs, поэтому хороший КИХ будет длинным.

Сообщение отредактировал sup-sup - Dec 3 2011, 21:54

[SergiRF]

Я не знал, что у PIC нет мультиплексора ADC. Или, все-таки, есть?

Каналов то много, но одновременно не работают, только по очереди, а это внесет искажения
Поясните плиз про работу в верхних зонах Найквиста

Сообщение отредактировал SergiRF - Dec 3 2011, 21:55

[sup-sup]

Каналов то много, но одновременно не работают, только по очереди, а это внесет искажения
Поясните плиз про работу в верхних зонах Найквиста

Параллельно и не надо. Такой же подход - учетверенная, но более низкая частота Fs для IQ.
***
Про верхние зоны Найквиста не понял. Если про то, что первый каскад децимирующего фильтра должен работать на Fs, то это для чисто цифровой реализации, когда сигнал сразу поступает на АЦП.
***
Извиняюсь, про это ivan219 сказал. Мне этот подход не нравится. Хороший фильтр нужен на нужную полосу, а это дороже, чем смеситель и простенький фнч (фпч)

Сообщение отредактировал sup-sup - Dec 3 2011, 22:09

[ivan219]

Про верхние зоны Найквиста не понял. Если про то, что первый каскад децимирующего фильтра должен работать на Fs, то это для чисто цифровой реализации, когда сигнал сразу поступает на АЦП.

Нет это дело происходит во время оцифровки сигнала. Мы как бы оцифровываем сигнал на гармониках. Одновременно перенося его в 0.

Это я имею ввиду когда частота семплирования ниже частоты сигнала
"Правильно ли я понимаю: при условии хорошего полосового фильтра , можно семплировать 9 кГц, несущая 50 кГц попадает в 5ю зону. И сигнал на выходе АЦП будет как будто несущая 5 кГц и не потребуется дополнительной обработки?
"

Той литературе которая у меня немного иначе. Есть формулы для расчёта. И получается что бы оцифровать сигнал полосой 50...52 кГц нужна частота дискретизации 4 кГц
Если интересно могу выложить скан.

Сообщение отредактировал ivan219 - Dec 3 2011, 22:23

[sup-sup]

Нет это дело происходит во время оцифровки сигнала. Мы как бы оцифровываем сигнал на гармониках. Одновременно перенося его в 0.

Да, я потом понял про что и ниже отписался, что это не я предлагал, а Вы (ivan219).
Но здесь получается, что нужно хорошо отфильтровать все остальные зоны и перенести в '0' - это надо применить IQ эквивалентно, как для исходного сигнала. Еще один недостаток - уменьшение уровня сигнала, так как энергия распределена равномерно по всем зонам, что может ухудшить прием, если это важно. Перенос прямым методом (квадратурный) наиболее эффективный). Ничего не теряется. И нет паразитных каналов. А реализация может быть как прямая, так и с помощью навесных дополнительных компонентов.

Сообщение отредактировал sup-sup - Dec 3 2011, 22:31

[Serg76]

Да, я потом понял про что и ниже отписался, что это не я предлагал, а Вы (ivan219).

вообще вроде бы как о субдискретизации я первый "заикнулся", но щас не об этом. если я нигде не ошибся, то можно взять Fs=8 кГц и ПЧ 49 кГц, тогда одна из копий сигнала окажется в полосе 0...2 кГц, затем конечно же это все фильтруем ФНЧ и вроде как дополнительного гетеродина не потребуется для коррекции.

Нет это дело происходит во время оцифровки сигнала. Мы как бы оцифровываем сигнал на гармониках. Одновременно перенося его в 0.

Я бы здесь немного подкорректировал, на самом деле при этом методе мы оцифровываем НЧ огибающую ВЧ сигнала, а то sup-sup может думает о гармониках ПЧ?

[sup-sup]

вообще вроде бы как о субдискретизации я первый "заикнулся", но щас не об этом. если я нигде не ошибся, то можно взять Fs=8 кГц и ПЧ 49 кГц, тогда одна из копий сигнала окажется в полосе 0...2 кГц, затем конечно же это все фильтруем ФНЧ и вроде как дополнительного гетеродина не потребуется для коррекции.


Я бы здесь немного подкорректировал, на самом деле при этом методе мы оцифровываем НЧ огибающую ВЧ сигнала, а то sup-sup может думает о гармониках ПЧ?

Все-таки, это не огибающая, а сигнал с перенесенной частотой заполнения. Огибающую надо получить программно в контроллере.
Преимущество - низкая частота дискретизации и связанные с ней затраты контроллера.
Недостатки (в общем случае).
Если есть помехи в других зонах, их надо фильтровать, что трудно и дорого реализовать для такого соотношения частоты и полосы (центральная частота 50 кГц, а полоса не более 4 кГц). Попытка реализации такого полосового фильтра приводит к применению не самых дешевых ОУ и их нужно много. В сравнение с этим подходом, перенос спектра в ноль (а это возможно только с применением IQ) дает максимально простой НЧ фильтр (два штуки LPF гораздо проще чем один полосовой). Смесители - это простые аналоговые ключи (4066, например) - тоже просто и недорого. Конечно, умножение на синус/косинус чище, чем на меандр, но по паразитным каналам приема лучше размножения спектра, так как разнос частот составляет удвоенную и половинную частоту гетеродина, что легче фильтровать преселектором. Вывод - обвес для приема сигнала IQ получается дешевле и стабильнее, чем для приема в зоне Найквиста. Затраты контроллера примерно одинаковые.
Второе, это уже упоминалось, что при частоте дискретизации 8 кГц мы берем только каждый шестой период ожидаемого сигнала, а остальные игнорируем. Таким образом коэффициент преобразования такого 'смесителя' очень низкий и отношение сигнал/помеха еще ухудшается.

Всем большое спасибо. Буду пробовать на следующей неделе:
Выберу частоту дескретизации, что бы сигнал полностью попал по центру зоны найквиста.
Пересчет в IQ - смысла нет.

Только еще вопрос:
При проигровании сигнала (генерация ЦАП - 8 бит, семплирование как минимум 120 - 150 кГц) придется переносить сигнал вверх в цифре. Делаю просто умножитель (каждый семпл умножаю на табличное значение sin). Для простоты лучше переносить несущую в 4 раза (1 0 -1 0 1....) . Исходя из этого и оцифровывать сигнал лучше в 4 ой зоне.
Правильно я рассуждаю?

А 'проигрывание' нужно сделать в том же диапазоне, то есть, вернуть сигнал на прежний частотный диапазон?
В этом случае правильно применить сохранение в виде IQ, а потом их же использовать в квадратурном модуляторе, как раз с применением табличных синуса и косинуса.
***
Вообще-то, тут тоже можно упрощенный синус и косинус применить.
И еще, нужно сделать интерполяцию сохраненной выборки для приведения к частоте DAC.
Нужна ли тогда децимация?
Может быть, просто памяти добавить?

Сообщение отредактировал sup-sup - Dec 4 2011, 10:01

[Serg76]

Преимущество - низкая частота дискретизации и связанные с ней затраты контроллера.
Недостатки (в общем случае).
Если есть помехи в других зонах, их надо фильтровать, что трудно и дорого реализовать для такого соотношения частоты и полосы (центральная частота 50 кГц, а полоса не более 4 кГц). Попытка реализации такого полосового фильтра приводит к применению не самых дешевых ОУ и их нужно много. В сравнение с этим подходом, перенос спектра в ноль (а это возможно только с применением IQ) дает максимально простой НЧ фильтр (два штуки LPF гораздо проще чем один полосовой). Смесители - это простые аналоговые ключи (4066, например) - тоже просто и недорого. Конечно, умножение на синус/косинус чище, чем на меандр, но по паразитным каналам приема лучше размножения спектра, так как разнос частот составляет удвоенную и половинную частоту гетеродина, что легче фильтровать преселектором. Вывод - обвес для приема сигнала IQ получается дешевле и стабильнее, чем для приема в зоне Найквиста. Затраты контроллера примерно одинаковые.
Второе, это уже упоминалось, что при частоте дискретизации 8 кГц мы берем только каждый шестой период ожидаемого сигнала, а остальные игнорируем. Таким образом коэффициент преобразования такого 'смесителя' очень низкий и отношение сигнал/помеха еще ухудшается.

Так в том то все и дело, что нужно получить как можно меньше вычислительных затрат, а при вашей схеме лопатить впустую выборку на 200 кГц ну никак не вяжется с возможностями PICа. Кроме того, те же I/Q можно получить и при субдискрете, схемы формирования квадратур остаются те же самые, но уже на более низкой тактовой. Я тоже всеми руками "ЗА" квадратуры, в принципе я по-другому никогда и не работал, здесь же сейчас вопрос в простоте реализации и уменьшении вычислительной нагрузки. Единственный минус при таком подходе это конечно же ПЧ, так как все искажения и потери будут определяться скорее на ПЧ, чем в полосе основного сигнала, но простоты реализации и дешевизны здесь не отнять. Не думаю, что реализация фильтра ПЧ потребует больших затрат, чем тот же смеситель, который тоже должен быть достаточно малошумящим и линейным, т.е. с большим ДД прежде всего по интермодуляции в режиме "большого" сигнала (смесители как правило всегда работают в таком режиме, а на аналоговом ключе вы получите только мощный набор продуктов нелинейного преобразования на выходе), ибо мы не знаем какие сигналы потребуется в дальнейшем демодулировать, может КАМ для которой нужен линейный тракт. так что реализация смесителя на простом ключе здесь точно не прокатит, я даже думаю, что качественная его реализация потребует бОльших вложений, чем того же фильтра ПЧ. Да и вообще надо стараться как можно дальше уходить от обработки в аналоге и двигаться в сторону цифры. Где-то так.

[sup-sup]

Так в том то все и дело, что нужно получить как можно меньше вычислительных затрат, а при вашей схеме лопатить впустую выборку на 200 кГц ну никак не вяжется с возможностями PICа. Кроме того, те же I/Q можно получить и при субдискрете, схемы формирования квадратур остаются те же самые, но уже на более низкой тактовой. Я тоже всеми руками "ЗА" квадратуры, в принципе я по-другому никогда и не работал, здесь же сейчас вопрос в простоте реализации и уменьшении вычислительной нагрузки. Единственный минус при таком подходе это конечно же ПЧ, так как все искажения и потери будут определяться скорее на ПЧ, чем в полосе основного сигнала, но простоты реализации и дешевизны здесь не отнять. Не думаю, что реализация фильтра ПЧ потребует больших затрат, чем тот же смеситель, который тоже должен быть достаточно малошумящим и линейным, т.е. с большим ДД прежде всего по интермодуляции в режиме "большого" сигнала (смесители как правило всегда работают в таком режиме, а на аналоговом ключе вы получите только мощный набор продуктов нелинейного преобразования на выходе), ибо мы не знаем какие сигналы потребуется в дальнейшем демодулировать, может КАМ для которой нужен линейный тракт. так что реализация смесителя на простом ключе здесь точно не прокатит, я даже думаю, что качественная его реализация потребует бОльших вложений, чем того же фильтра ПЧ. Да и вообще надо стараться как можно дальше уходить от обработки в аналоге и двигаться в сторону цифры. Где-то так.

Хотя, кажется, что актуальность переноса вниз падает, прицепил картинку аппаратной поддержки для работы с квадратурами. Ключ нормально подходит. Можно посмотреть как это сделано в SDR http://uu4jgi.ucoz.ua/SDR/SMTSDRRXDR2G-YU1LM.pdf
Только там два ключа, сдвинутых на 180 градусов, что позволяет получить полную передачу энергии при переносе. Это практически эквивалентно 'честному' IQ
***
Про загрузку контроллера. Гетеродин генерится таймерами, которые только запустить надо и все. А частота оцифровки после аналогового ФНЧ выбирается максимально низкая. 8 кГц вполне подойдет. Зато цифровой фильтрации не нужно делать. И не нужен полосовой фильтр. Кстати, это хорошо работало на макете с atmega168. Лучше, чем схема с одним каналом и с ПЧ.

Сообщение отредактировал sup-sup - Dec 4 2011, 13:07

Эскизы прикрепленных изображений