Digitális szűrő méréshez (DF)

MÉRÉSI SEGÉDLET Digitális szűrő méréshez (DF) V1 épület V. emelet 504. labor Készítette: Dudás Levente 016. 1

A digitális szűrő elépítése A szűrő blokkvázlata az 1.1. ábrán látható. 1.1. ábra A szűrő a 0..3 MHz-ig terjedő rekvencia sávban üzemel (a 64 MHz-es rendszer órajel miatt). Ebben a sávban képes különböző szűrési eladatok végrehajtására. Alapvetően négy ajta szűrőkarakterisztika valósítható meg: LPF, HPF, BPF, BSF. A szűrő vezérlő programja két ajta szűrőtervezési módszert támogat: ablakolt szűrő és törésponti rekvenciák alapján számított szűrő. A bemenetre érkező RF jel egy illesztő és erősítő áramkör után a bemeneti AD átalakítóra kerül, ahol a jel mintavételezése történik (64 MHz-es mintavételi rekvenciával). Ennek a okozatnak a elépítése látható az 1.. ábrán. 1.. ábra A bemeneti AD átalakító blokkvázlata látható az 1.3. ábrán. Jellemzői: max. 65 MSPS, 1 bit, DNL=+/-0,4LSB, bementi eszültség max. 1Vpp.

1.3. ábra A 1 bites AD átalakítóról a mintavételezett digitális jel egy digitális lekeverőre kerül (Digital Down Converter). Ennek elépítése látható az 1.4. ábrán. 1.4. ábra A 1 bites digitális mintasorozat két, az IC-n belüli hardver szorzóra kerül. Ezek a szorzók, mint kétszeresen kiegyenlített keverők működnek. Ahhoz, hogy az I és Q komponenseket előállíthassuk, egy ún. komplex NCO szükséges (Numercally Controlled Oscillator). Ennek elépítése látható az 1.5. ábrán. 3

1.5. ábra Az NCO 3 bites és két 16 bites táblázatot (memóriát) címez, az egyik az I jelek előállításához szükséges cos tábla, a másik a Q jelekhez szükséges sin tábla. Az NCO kimeneti rekvenciája az alábbi képlettel számítható: CLK NCO _ FREQ 3 64 MHz NCOCLK Az NCO által címzett memóriából a digitális sin és cos minták szorzódnak össze a bementi jel mintáival digitálisan. Így valósul meg az RF spektrum alapsávra való lekeverése. A digitális szorzókról az I és Q minták egy kétokozatú ún. decimáló szűrőre kerülnek (Cascaded Integrator Comb Filter). A decimálás azt jelenti első közelítésben, hogy a mintasorozatból pl. minden 3. mintát küldünk tovább, a többit eldobjuk. Ez itt kiegészül továbbá egyajta átlagolással, vagyis összeog pl. 3 mintát, adott algoritmus alapján átlagolja őket, és minden 3. minta beérkezésekor ezt az átlagolt értéket küldi tovább a következő okozatnak. A CIC szűrő két külön okozatból áll: CIC és CIC5. A CIC (másodokú) decimáló szűrő átviteli üggvénye különböző decimálási értékek esetén (vagyis, hogy hány mintát átlagol) a következő: zh M CIC 1 1z S CIC 1z 1 Ahol M CIC a szűrő által átlagolt minták száma [..16], S CIC a szűrő skálázása (később). Az CIC rekvenciatartománybeli viselkedése, normalizálva a mintavételi rekvenciára, különböző átlagolási értékek esetén az 1.6. ábrán látható. 4

1.6. ábra Az eddigiekből kiderül, hogy a CIC utáni mintavételi rekvencia annyiad részére csökken, ahány mintát átlagol a decimáló szűrő. s, CIC s, RF M s, RF CIC 64MHz A CIC-t egy ötödokú decimáló szűrő követi, ez a CIC5. A CIC5 átviteli üggvénye a következő: zh M 5 CIC 5 1 1z S CIC 5 5 1z 1 Ahol M CIC5 a szűrő által átlagolt minták száma [1..3], S CIC5 a szűrő skálázása (később). A CIC5 rekvenciatartománybeli viselkedése különböző decimálási értékek esetén, normalizálva a mintavételi rekvenciára, vagyis az s,cic -re, az 1.7. ábrán látható. 5

1.7. ábra A CIC5 utáni mintavételi rekvencia az alábbiak szerint alakul: scic, 5 scic, M CIC 5 Az alapsávi minták ezek után egy digitális FIR (Finite Impulse Response) szűrőre kerülnek. Ennek elépítése látható az 1.8. ábrán. 1.8. ábra Ez egy un. RCF (RAM Coeicient Filter), tehát a FIR szűrő együtthatói egy RAM-ban tárolódnak, valamint az I és Q mintákra nézve azonosak. Egy általános FIR szűrő elépítése látható az 1.9. ábrán. 6

1.9. ábra A DDC-ben a FIR szűrő kiegészül egy további decimáló okozattal. Tehát a tényleges alapsávi rekvencia a következőre adódik: z T s, alapsávi H ( z ) e j N taps T k 1 0 s, alapsávi s, CIC 5 Ahol M RCF a FIR szűrőt kiegészítő okozat decimálása. Az alapsávi FIR szűrő maximum 56 okú lehet (hardverbeni korlátok miatt), azonban a tényleges okszámot az alábbi összeüggéssel határozhatjuk meg: M h k RCF CLK MRCF N taps min, 56 z s,cic 5 A már alapsávon digitálisan szűrt minták egy Xilinx FPGA-ba kerülnek, ahol a szükséges digitális jel illesztés valósul meg, hogy az azt követő digitális elkeverő (Digital Up Converter) megelelően el tudja őket dolgozni. A DUC elépítése az 1.10. ábrán látható. k 7

1.10. ábra A DUC az előzőek inverzét végzi, ordított sorrendben. Vagyis a szűrt alapsávi mintákat egy inverz-cic szűrőre küldi, amely azután elvégzi a szükséges minták közötti interpolációt. Ez ahhoz szükséges, hogy a elkeverés előtt ugyanannyi minta álljon rendelkezésünkre, mint amennyi a lekeverés után (a CIC szűrők előtt) volt, vagyis 64 MSPS, tehát visszaállítja a 64 MHz-es mintavételi rekvenciát. Ezután történik a tényleges elkeverés, vagyis egy, itt DDS CORE-nak nevezett okozat, ami ugyanolyan mint a DDC-ben az NCO volt, előállítja a digitális sin és cos mintákat, amivel szorzódnak az I és Q csatorna jelei (szintén digitális hardver szorzó). Ezeket utána összegzi és a kimeneti DA átalakítóra küldi. Ezt egy analóg illesztő okozat követi. Összeoglalás: A bemeneti RF jelet digitalizáljuk, lekeverjük alapsávra, ott digitálisan szűrjük, majd elkeverjük RF sávra és ott szűrt analóg jelként kapjuk vissza. Mivel a DDC és DUC egymástól teljesen üggetlen, így lehetőség van arra, hogy pl. 15 MHz-en egy adott sávot vételezünk (a DDC NCO-ja 15 MHz-en jár), majd azt megszűrve egy más rekvenciasávra, pl. 5 MHz-re keverjük vissza (DUC DDS CORE pedig 5 MHz-en jár). Skálázás: Amint már említettem, szükség van ún. skálázásra. Vagyis a bemenetet 1 biten mintavételezzük - habár a DDC 16 bites mintákat is el tudna dolgozni (az alsó négy bit 0) - 16 bites elbontású sin és cos értékekkel szorzunk, a szorzatból csak a első 18 bitet engedjük tovább. Ahhoz, hogy a bemeneti AD átalakító dinamikatartományát a lehető legjobban illesszük hozzá a DDC bemenetéhez, a szorzott 18 bites értékeket át kell skáláznunk (a DDC semelyik regisztere ne csorduljon túl addig, amíg a bemeneti AD nem csordul túl). 8

A túlcsordulást a spektrumkép behorpadása jelzi (torzulás). Az utána következő decimáló szűrők is végeznek összeadásokat. Ahhoz, hogy itt se történjen túlcsordulás, a bitsorozat shitelése (vagyis átskálázása szükséges). Ez alapján számolhatók ki a már említett S CIC és S CIC5 értékek. S CIC S CIC 5 log M 5 log M CIC CIC 5 Ezzel tulajdonképpen a decimáló szűrő erősítése változik. Adott decimálási értékeket eltételezve a decimáló szűrők csillapítása 0..6 db közötti lehet (az alsó egészrész művelet miatt) külön-külön a CIC-re és CIC5-re egyaránt. Ezzel a csillapítási értékkel szükséges kompenzálni a DUC-ban illetve a DDC bemeneti skálázásánál (a vezérlő program számolja ki a szükséges skálázási értékeket). A skálázással elérhető, hogy adott FIR szűrő együtthatók értékénél a dinamikatartományok +/-3 db-es pontossággal illeszthetők egymáshoz, vagyis legrosszabb esetben a DDC belső regiszterei 6 db-lel kisebb bemeneti jelek esetén csordulnak túl, mint ahol a bemeneti AD túlcsordul. Ahhoz, hogy ezt a 0..6 db-es tartományt is kompenzálni tudjuk, lehetőség van a vezérlő programban a FIR szűrő együtthatóinak egy konstanssal való szorzására. Ennek értéke 0,1.. között változtatható (0-val való szorzás nem célszerű, hiszen akkor a FIR szűrő kimeneti jele 0). Leggyakrabban 0,6..1,1 tartományba esik bele (ügg a FIR szűrő okszámától, a megvalósított szűrő típusától, a törésponti rekvenciáktól ). A jó érték megállapítása mivel más mód nincs rá a spektrumanalizátor segítségével történik. A digitális szűrő be- és kimeneti impedanciája 50, a maximális bemeneti jelszint 10 dbm. 5 9

A vezérlő program A program behívása a bpa.vi ájlra történő dupla kattintással, indítása pedig a bal első sarokban levő olyamatos uttatás ikonra történő kattintással történik. A program soros porton kommunikál a szűrővel (9600 8N1) COM1 vagy COM. A program kétajta szűrőtervezési módszert támogat: ablakolt szűrő (Windowed Filter) vagy törésponti rekvenciák alapján számolt szűrő (Equi-Ripped). A szűrőegyütthatók számítási módszerének kiválasztása a középen található kapcsolóval történik. Az alapsávi FIR szűrő okszáma beállítható, de nem lehet nagyobb, mint az adott decimálás esetén elérhető maximális. Ha ennél mégis nagyobbat adunk meg, akkor is csak a maximálissal számol. A szűrő lehet: alul-, elül-, sáváteresztő vagy sávzáró. Ha egyes szűrőkarakterisztikák letőltése nem sikeres, vagyis a spektrumkép nem jelenik meg, vagy aszimmetrikus, akkor újra szinkronizáció szükséges. Erre szolgál a következő ikon: 10

(Az egyes digitális okozatok összehangolása az rekvencia, decimálás, szűrőegyüttható és szűrőtípus változtatása után nem biztos, hogy automatikusan megtörténik.) Ha a szinkronizáció többszöri próbálkozás után sem sikeres, akkor használjuk a következő ikont: Utána pedig töltsük le a szűrőt újra. Ha valamilyen szűrőparamétert megváltoztattunk, használjuk a következő ikont: A program támogatja más szűrőtervező programok segítségével számított szűrőegyütthatók betöltését is, azonban ügyeljünk arra, hogy az alapsávi mintavételi rekvencia, valamint a szűrő okszáma ugyanaz legyen. A program által tervezett és letöltött szűrő minden paramétere ájlba menthető, és onnan újra előhívható. 11

Mérési eladatok 3.1. Ismerkedjen meg a spektrumanalizátor és a vezérlő program használatával. 3.. Tervezzen digitális alapsávi szűrőt a DFALZ1 program segítségével (okszám 5 illetve 50, alapsávi mintavételi rekvencia 1,8 MHz, szűrőtípus LPF, BPF). Figyelje meg a okszám változtatásának hatását. Töltse le őket a hardverbe és magyarázza el a látottakat. 3.3. Tervezzen digitális alapsávi szűrőt a vezérlő program segíségével (Windowed Filter): 3.3.1. Ablakolás nélkül, okszám 50, LPF, törésponti rekvencia 300 khz. 3.3.. Hanning ablakolással. 3.3.3. Exact Blackman ablakolással. 3.3.4. Flat top ablakolással. 3.3.5. Vizsgálja meg BPF, HPF, BSF típusok esetén is az előző beállítások hatását (HPF és BSF esetén szükséges, hogy a okszám páratlan legyen). Minden pontban rögzítse tapasztalatait. 3.4. Tervezzen digitális alapsávi szűrőt a vezérlő program segíségével (Equi-Ripped Filter): 3.4.1. LPF 3.4.. BPF 3.4.3. BSF 3.4.4. HPF A szükséges paramétereket a mérésvezető adja meg. 3.5. Hangolja át a szűrőt a mérésvezető által előírt rekvenciára, rögzítse tapasztalatait. 3.6. Változtassa meg a szűrő beállításait úgy, hogy a vételi rekvencia 0 MHz, az adási rekvencia 30 MHz legyen. Mérje meg az átvitelt. 3.7. Azonos vételi és adási rekvencia esetén változtassa a skálázást úgy, hogy maximálisan kihasználja a rendelkezésre álló dinamikatartományt és ellenőrizze a beállításait a spektrumanalizátoron. 3.8. Szorgalmi eladat: Változtassa az alapsávi FIR szűrő decimálását (MRCF) -re, 3-ra és töltsön le egy tetszőleges LPF karakterisztikát. Magyarázza meg a tapasztaltakat. 1

Ellenőrző kérdések 1. Ismertesse a digitális szűrő működését blokkvázlat szinten!. Miért szükséges decimáló szűrők használata nem alapsávi digitális szűrők esetén? 3. 64 MHz-es RF sávi mintavételezés esetén mekkora lesz az alapsávi mintavételi rekvencia, ha M CIC =4, M CIC5 =5, M RCF =? Mekkora lesz ebben az esetben a maximális sávszélesség? 4. Ismertesse az alapsávi FIR szűrő működését, vezesse le az átvitelét! 5. Lineárisnak tekinthető-e a szűrő, ha a vételi és adási rekvencia különböző? Miért? 6. Miért szükséges az egyes részegységek dinamika tartományainak egymáshoz illesztése? 7. Lehetséges-e, hogy 64MHz-es RF sávi mintavételezés esetén, pl. 40MHz-es rekvencián dolgozzon a szűrő? Ha igen, akkor hogyan változik a spektrumkép? 8. Mekkora oldalmeredekség érhető el 8, 16, 3, 64, 18 illetve 56-os okszámú digitális alapsávi FIR szűrővel? 9. Alapsávi FIR szűrő esetén miért szükséges az ablakolás, milyen ablakolási típusokat ismer? 10. Adott egy alapsávi FIR szűrő az együtthatóival [1 1 1 1 1 1 1 1]. Az alapsávi mintavételi rekvencia 100kHz. Adja meg a szűrő átvitelét a rekvencia tartományban az egyes jellegzetes rekvenciák és csillapítási értékek eltűntetésével. 13