Таким образом, проектирование фрейм-дискретизатора ограничивается использованием двух элементов быстродействующей логики: компаратора типа HMC674LC3C и согласующего устройства, позволяющего преобразовать импульс пикосекундной в импульс наносекундной длительности, достаточной для того, чтобы его можно было обработать при помощи цифровой логики среднего быстродействия [6]. Массив счетчиков и ядро управляемого микроконтроллера реализуются на базе ПЛИС.
Согласующим устройством в схеме фрейм-дискретизатора, приведенной на рис.1, является ждущий мультивибратор, собранный на базе двухступенчатого D-триггера типаHMC67413LC3C с переключающим быстродействием 25 пс. Однако это вовсе не предел и порог быстродействия можно уменьшить. С целью улучшения временной разрешающей способности фрейм-дискретизатора синтезирован вариант схемы согласующего устройства, реализованного на дискретной быстродействующей КМОП-логике, обеспечивающий быстродействие менее 15 пс (рис.3). Предложенный вариант схемы устройства согласования работает по следующему принципу. С высокоскоростного компаратора сигнал s(t) подается на сверхширокополосный усилитель A1, далее на аналоговый электронный вентиль V1, который пропускает текущее состояние компаратора, после чего по переднему фронту пришедшего атактового импульса закрывается.
Рис.3. Схема согласующего устройства: A1, A2 - усилители; V1, V2 - логические вентили;
L1, L2, L3 - ЛЗ; С - конденсатор; С1 - счетчик; & - элемент логического умножения «И»
Накопившийся потенциал на конденсаторе C усиливается цепью положительной обратной связи в усилителе A2, которая формируется в момент открытия электронного вентиля V2 через время, установленное ЛЗ L1. Время необходимое для удержания заданного уровня (коэффициента усиления) сигнала на выходе A2 обеспечивается ЛЗ L2.
Атактовый импульс можно представить импульсом сколь угодно большой длительности или, как в данном случае - единичной функцией.
Поэтому его необходимо преобразовать в импульс конечной длительности для цифрового счетчика при помощи ЛЗ L3 и логического элемента «И» с одним инверсным входом. В случае логического уровня «1» на выходе компаратора, результатом схемы логического умножения «И» будет тот самый импульс, полученный ранее на выходе предыдущей схемы «И» с одним инверсным входом; в противном случае - на выходе схемы имеем низкий уровень логического «0».
В сравнении с высокоскоростным D-триггером, предложенная схема преобразователя оправдывает эффективность своего применения в случае, когда частота сигнала разрешения с выхода компаратора будет превышать 40 ГГц, которое обеспечивается передовым производителем марки HMC [8]. Накладываемое ограничение связано с предельно возможным быстродействием выпускаемых D-триггеров.
Результаты исследования на базе программной модели фрейм-дискретизатора, реализованной в среде Simulink приведены в работе [6]. Построение моделей цифровых устройств в среде Simulink позволяет автоматизировать генерацию программного кода на языке описания VHDL, что удобно при организации технических проектов устройства на базе ПЛИС типа Xilinx или Altera. Кроме того, моделирование в среде Simulink позволяет заранее определиться с выбором радиотехнических характеристик элементной логики в зависимости от требований к решаемым задачам высокоскоростной оцифровки.
3. Фрейм-масштабное усреднение и сингуляроное шумоподавление
Повышение точности воспроизведения профиля радио- или оптического импульса устройством зависит не только от увеличения общего числа циклов восстановления (стробирования) СКИ с соответствующим уменьшением порогового шага квантования. Данная процедура носит конечный характер и ограничивается предельными радиотехническими характеристиками электронного изделия. В статистической радиотехнике используются эффективные методы повышения воспроизводимости данных путем накопления их выборки и ее усреднения. Таким образом, с целью повышения точности измерений, в случае зашумленных или маломощных сигналов цикл сравнения с динамическим порогом компаратора фрейм-дискретизатора можно повторить необходимое число раз, но ограниченное разрядностью цифровых счетчиков. Так, в сравнении с аналоговыми интеграторами, для которых характерны потери и ограниченное время интегрирования, цифровой счетчик может считать значительное время без потерь, усредняя десятки и сотни импульсов [9].
Частота стробирования и коэффициент усреднения определяют частоту выборки фреймов. В зависимости от заданных требований по точности фрейм-дискретизатор можно настроить на большее усреднение при меньшей частоте фреймов, и, наоборот - большую частоту фреймов при меньшем отношении сигнал-шум. При этом частота фреймов в этом случае равна , где - частота стробирования, - число шагов квантования, - коэффициент усреднения. Данная процедура носит название фрейм-масштабного усреднения.
При восстановлении маломощных сигналов технология СФД предполагает использование надпорогового стохастического резонанса - режима сингулярного шумоподавления [9], при котором гауссовский шум определенной спектральной мощности, смешанный с СКИ, позволяет повысить отношение сигнал-шум. Режим стохастического резонанса используется в высокочувствительных АЦП и предполагает усиление периодического сигнала под действием подмешивания во входные цепи АЦП белого шума заданной мощности. В присутствии во входном тракте фрейм-дискретизатора только белого шума система является бистабильной и под влиянием маломощного воздействия СКИ сможет перейти в другое состояние, т.е. обнаружить СКИ. Оптимальной (соответствующей максимальному отношению сигнал-шум) является такая мощность шума, при которой характерное устойчивое время системы в одном состоянии равно половине периода периодического возмущения. Причем сильный или слишком слабый шум приводят к меньшей чувствительности системы в отношении слабого периодического возмущения.
Заключение
Применение субнаносекундных гибридных радиофотонных установок импульсного сканирования в границах ИК и радиочастотной области расширяет информативность дистанционного зондирования, поскольку особенности формоизменения энергетического профиля СКИ, отраженного от облучаемой цели, позволяют получать информацию о радиофизических, теплофизических и спектрохимических свойствах облучаемых объектов или сред по импульсно-спекральным характеристикам.
Атактовая оцифровка СКИ осуществляется не на гигагерцовой, а на мега- или килогерцовой частоте стробирования, что кардинально упрощает ее стабилизацию. СФД обеспечивает пикосекундное разрешение, высокое быстродействие и низкое энергопотребления схемы, что очень важно при бортовом исполнении устройства в условиях массогабаритных ограничений для размещения радиаторов и источника электропитания. Проектирование фрейм-дискретизатора ограничивается использованием двух элементов быстродействующей логики: компаратора и согласующего устройства, преобразующего импульс пикосекундной длительности в наносекундную. Этого достаточно для его обработки при помощи цифровой логики среднего быстродействия на базе ПЛИС.
С целью улучшения показателей воспроизводимости СКИ, в случае зашумленных или маломощных сигналов, цикл сравнения с динамическим порогом компаратора фрейм-дискретизатора можно повторить необходимое число раз, но ограниченное разрядностью цифровых счетчиков. В сравнении с аналоговыми интеграторами, для которых характерны потери и ограниченное время интегрирования, цифровой счетчик может считать значительное время без потерь, усредняя сотни импульсов. При восстановлении маломощных сигналов технология СФД предлагает использование стохастического резонанса - режима сингулярного шумоподавления, при котором гауссовский шум заданной спектральной мощности, смешанный с СКИ, позволяет повысить показатель отношения сигнал-шум.
Литература
1. Stavros Iezekiel. Microwave Photonics: Devices and Applications. - USA.: Wiley-IEEE Press, 2009. - 360 P.
2. Urick V.J., Keith J. Williams, Jason D. McKinney. Fundamentals of Microwave Photonics. - USA.: Wiley-IEEE Press, 2015. - 488 P.
3. Budagyan I.F., Kostin M.S. Methods applied to digital processing of ultrashort pulse signals upon estimating a small angular deviation of phase-distributed radio pulses in the radiosensory vibrometrological diagnostics system. // Journal of Communications Technology and Electronics, 2015. Vol. 60, No. 8 - P. 871-879.
4. Будагян И.Ф., Костин М.С. Радиосенсорная виброметрологическая система на однокристальном приемопередатчике с прямой оцифровкой сверхкороткоимпульсного сигнала. // Сб. науч. статей по итогам всероссийской НПК «Научный взгляд на современный этап развития общественных, технических, гуманитарных и естественных наук, актуальные проблемы», НОУ СПб ИПМ. - СПб.: КультИнформПресс, 2014. - С.19-24.
5. Hjortland H.A., Wisland D.T., Lande T.S. et al. Thresholded samplers for UWB impulse radar // Circuits and Systems. IEEE International Symposium. New Orleans: IEEE, 2010. - 1210 P.
6. Будагян И.Ф., Костин М.С. Технология высокоскоростной оцифровки радиоимпульсов субнаносекундного диапазона. // Сб. публ. науч. журнала «Globus» по мат. IV межд. науч.-практ. конф. «Достижения и проблемы современной науки». - СПб.: Научный журнал «Globus», 2015. - C.83-87.
7. Будагян И.Ф., Костин М.С. Фрейм-дискретизация сверхкороткоимпульсных сигналов // Сб. науч. тр. II Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем». - М.: МГТУ МИРЭА, 2015. Ч.1. - С.393-398.
8. Michael E. Harrell, Jon R. Firth. Hittite's 40 Gbps high speed logic family provides reduced jitter, programmable output voltage and lower power consumption. // Journal of Microwave Europe Engineering, 2015. Vol. 7. - P. 2-4.
9. Будагян И.Ф., Костин М.С. Субнаносекундная радиоволновая виброметрия. Методы и технологии. - Саарбрюккен, Германия.: LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2015. - 107 C.