КВАДРАТУРНЫЙ ФИЛЬТР С ТРОЙНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в качестве технического средства для исследования структур сложных сигналов, например, в качестве канала параллельного многоканального анализатора спектра.
Известно устройство [RU 2099720, C1, G01R 23/16, 20.12.1997], содержащее блок согласования по входу, аналого-цифровой преобразователь, умножитель, постоянное запоминающее устройство коэффициентов весовой функции, специализированный процессор быстрого преобразования Фурье, оперативное запоминающее устройство, тактовый генератор, устройство управления, сумматор, буферное оперативное запоминающее устройство, блок преобразования адреса и схемы коммутации [RU 2099720, C1, G01R 23/16, 20.12.1997].
Устройство обладает повышенной разрешающей способностью, однако обладает относительно низкой помехоустойчивостью.
Известно также устройство [RU 2014621, C1, G01R 23/16, 15.06.1994], являющееся каналом многоканального спектроанализатора, состоящее из подключенных входному широкополосного усилителю спектроанализатора последовательно соединенных входного фильтра, детектора и интегратора, M блоков вычитания первой группы, М-входовый сумматор, M ключей, M блоков вычитания второй группы, M пороговых элементов, КМ+1 одновходовых умножителей, К+2 дополнительных М-входовых сумматоров, К двувходовых умножителей, (К+1)-входовых сумматоров, генератор пилообразного напряжения, К-1 блоков, два формирователя, линию задержки с M отводами, M триггеров, блок деления, ключ, M ветвей, содержащих последовательно соединенные пороговый элемент, триггер и масштабный усилитель [RU 2014621, C1, G01R 23/16, 15.06.1994].
Недостатком устройства является относительно низкая помехоустойчивость в условиях действия мощной помехи.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является квадратурный анализатор спектра [RU 107365, U1, G01R 23/16, 10.08.2011], содержащий входной фильтр, первый вход которого является входом квадратурного анализатора спектра, блок вычитания, симметричный квадратурный фильтр, двухфазный генератор и квадратурный избирательный фазовращатель, первые входы которых соединены с первым выходом входного фильтра, выполненного в виде асимметричного квадратурного фильтра, а также режекторный квадратурный фильтр, содержащий блок вычитания и первую и вторую ветви, каждая из которых содержит соответственно последовательно соединенные первый перемножитель, первый фильтр нижних частот, первый фильтр верхних частот и второй перемножитель, и последовательно соединенные третий перемножитель, второй фильтр нижних частот, второй фильтр верхних частот и четвертый перемножитель, причем выходы второго и четвертого перемножителей соединены соответственно с первым и вторым входами блока вычитания, выход которого является выходом режекторного квадратурного фильтра, выход которого является выходом квадратурного анализатора спектра, выход двухфазного генератора соединен со вторыми входами симметричного квадратурного фильтра, квадратурного избирательного фазовращателя и асимметричного квадратурного фильтра, второй выход которого соединен с третьим входом симметричного квадратурного фильтра и с первым входом режекторного квадратурного фильтра, являющегося первым и вторым входами первого перемножителя, первым входом третьего перемножителя и вторым входом четвертого перемножителя, а выход квадратурного избирательного фазовращателя соединен со вторым входом режекторного квадратурного фильтра, являющимся вторыми входами второго и третьего перемножителей.
Недостатком этого технического решения является относительно низкая помехоустойчивость в условиях возможного воздействия помех с частотами, близкими к частотам используемых в квадратурных фильтрах опорных генераторов, в частности, двухфазного генератора. В результате выделяемый полезный сигнал подвержен паразитной амплитудной модуляции.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство [RU 123172, U1, G01R 23/16, 20.12.2012], содержащее асимметричный квадратурный фильтр, вход которого является входом устройства, симметричный квадратурный фильтр, квадратурный избирательный фазовращатель, режекторный квадратурный фильтр, первый блок вычитания, первый операционный усилитель, вход которого соединен с выходом квадратурного избирательного фазовращателя, установленного с возможностью подачи через него смеси полезного сигнала и помехи с выхода асимметричного квадратурного фильтра в цепь обратной связи режекторного квадратурного фильтра, второй блок вычитания, первый вход которого соединен с выходом первого операционного усилителя, второй операционный усилитель, вход которого соединен с выходом режекторного квадратурного фильтра, третий блок вычитания, первый вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя, инвертор, вход которого соединен с выходом третьего блока вычитания, который является выходом устройства, а выход - соединен с первым входом режекторного квадратурного фильтра, второй вход которого соединен с выходом симметричного квадратурного фильтра, а третий вход соединен с выходом асимметричного квадратурного фильтра, с первым входом первого блока вычитания и со вторым входом второго блока вычитания, выход которого соединен со вторыми входами первого и третьего блоков вычитания, при этом, вход симметричного квадратурного фильтра соединен со входом асимметричного квадратурного фильтра.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая помехоустойчивость, вызванная относительно низкой степенью подавления зеркального канала в условиях объективно существующего разброса параметров функционально-родственных элементов схемы. Экспериментально установлено, что даже при незначительном разбросе параметров элементов в пределах 10-15% коэффициент подавления по зеркальному каналу не превышает 40-50 дБ, что неприемлемо в большинстве практических приложений.
Задача, на решение которой направлена предложенная полезная модель, направлена на повышение помехоустойчивости устройства путем обеспечения большей величины коэффициент подавления по зеркальному каналу в условиях возможного разброса параметров элементов схемы.
Техническая задача, решаемая с помощью предложенного технического решения, заключается в повышении помехоустойчивости путем обеспечения большей величины коэффициент подавления по зеркальному каналу в условиях возможного разброса параметров элементов схемы.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее первый и второй блоки вычитания, а также операционный усилитель, согласно предложенной полезной модели введены первый, второй, третий, четвертый и пятый сумматоры, первый и второй генераторы опорного напряжения, полосно-пропускающий фильтр, первый, второй, третий и четвертый фильтры нижних частот, а также первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый перемножители и третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой генераторы опорных сигналов, причем, первый вход первого сумматора является входом входного сигнала, второй вход соединен с выходом операционного усилителя, а выход - соединен с первыми входом первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом третьего генератора опорного напряжения, и с первым входом второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом четвертого генератора опорного напряжения, первый и второй входы полосно-пропускающего фильтра соединены с выходами первого и второго перемножителей, соответственно, первый выход - соединен с первым входом третьего перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого генератора опорного напряжения, и с первым входом четвертого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго генератора опорного напряжения, а второй выход - соединен с первым входом пятого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого генератора опорного напряжения, и с первым входом шестого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго генератора опорного напряжения, выход третьего перемножителя соединен с первыми входами первого блока вычитания и третьего сумматора, выход четвертого перемножителя соединен с первыми входами второго сумматора и второго блока вычитания, выход пятого перемножителя соединен со вторым входом второго сумматора и со вторым входом второго блока вычитания, выход шестого перемножителя соединен со вторым входом первого блока вычитания и со вторым входом третьего сумматора, выход первого блока вычитания соединен с входом первого фильтра нижних частот, выход которого соединен с первым входом седьмого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом пятого генератора опорного напряжения, а выход - соединен с первым входом четвертого сумматора, выход второго сумматора соединен с входом второго фильтра нижних частот, выход которого соединен с первым входом восьмого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом шестого генератора опорного напряжения, а выход - соединен со вторым входом четвертого сумматора, выход третьего сумматора соединен с входом третьего фильтра нижних частот, выход которого соединен с первым входом десятого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом седьмого генератора опорного напряжения, а выход - соединен с первым входом пятого сумматора, выход второго блока вычитания соединен с входом четвертого фильтра нижних частот, выход которого соединен с первым входом девятого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом восьмого генератора опорного напряжения, а выход - соединен со вторым входом пятого сумматора, выход которого соединен со входом операционного усилителя.
На чертеже представлена электрическая функциональная схема квадратурного фильтра с тройным преобразованием частоты.
Квадратурный фильтр с тройным преобразованием частоты содержит первый 1 и второй 2 блоки вычитания, операционный усилитель 3, первый 4, второй 5, третий 6, четвертый 7 и пятый 8 сумматоры, первый 9 и второй 10 генераторы опорного напряжения, полосно-пропускающий фильтр 11, первый 12, второй 13, третий 14 и четвертый 15 фильтры нижних частот, а также первый 16, второй 17, третий 18, четвертый 19, пятый 20, шестой 21, седьмой 22, восьмой 23, девятый 24 и десятый 25 перемножители.
Кроме того, квадратурный фильтр с тройным преобразованием частоты содержит третий 26, четвертый 27, пятый 28, шестой 29, седьмой 30 и восьмой 31 генераторы опорных сигналов.
В квадратурном фильтре с тройным преобразованием частоты первый вход первого сумматора 4 является входом входного сигнала квадратурного фильтра с тройным преобразованием частоты, второй вход - соединен с выходом операционного усилителя 3, а выход - соединен с первыми входом первого перемножителя 16, второй вход которого соединен с выходом третьего генератора 26 опорного напряжения, и с первым входом второго перемножителя 17, второй вход которого соединен с выходом четвертого генератора 27 опорного напряжения.
Кроме того, первый и второй входы полосно-пропускающего фильтра 11 соединены с выходами первого и второго перемножителей, соответственно, первый выход полосно-пропускающего фильтра 11 соединен с первым входом третьего перемножителя 18, второй вход которого соединен с выходом первого генератора 9 опорного напряжения, и с первым входом четвертого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго генератора 10 опорного напряжения, а второй выход полосно-пропускающего фильтра 11 соединен с первым входом пятого перемножителя 20, второй вход которого соединен с выходом первого генератора 9 опорного напряжения, и с первым входом шестого перемножителя 21, второй вход которого соединен с выходом второго генератора 10 опорного напряжения.
Дополнительно к этому в квадратурном фильтре с тройным преобразованием частоты выход третьего перемножителя 18 соединен с первыми входами первого блока 1 вычитания и третьего сумматора 6, выход четвертого перемножителя 19 соединен с первыми входами второго сумматора 5 и второго блока 2 вычитания, выход пятого перемножителя 20 соединен со вторым входом второго сумматора 5 и со вторым входом второго блока 2 вычитания, выход шестого перемножителя 21 соединен со вторым входом первого блока 1 вычитания и со вторым входом третьего сумматора 5.
В квадратурном фильтре с тройным преобразованием частоты дополнительно к уже отмеченному выход первого блока 1 вычитания соединен с входом первого фильтра 12 нижних частот, выход которого соединен с первым входом седьмого перемножителя 22, второй вход которого соединен с выходом пятого генератора 28 опорного напряжения, а выход - соединен с первым входом четвертого сумматора 7, выход второго сумматора 5 соединен с входом второго фильтра 13 нижних частот, выход которого соединен с первым входом восьмого перемножителя 23, второй вход которого соединен с выходом шестого генератора 29 опорного напряжения, а выход - соединен со вторым входом четвертого сумматора 7, выход третьего сумматора 6 соединен с входом третьего фильтра 14 нижних частот, выход которого соединен с первым входом десятого перемножителя 25, второй вход которого соединен с выходом седьмого генератора 30 опорного напряжения, а выход - соединен с первым входом пятого сумматора 8, выход второго блока 2 вычитания соединен с входом четвертого фильтра 15 нижних частот, выход которого соединен с первым входом девятого перемножителя 24, второй вход которого соединен с выходом восьмого генератора 31 опорного напряжения, а выход - соединен со вторым входом пятого сумматора 8, выход которого соединен со входом операционного усилителя 3.
Все элементы квадратурного фильтра с тройным преобразованием частоты являются стандартными элементами радиотехники.
Работает квадратурный фильтр с тройным преобразованием частоты следующим образом.
α
Предположим, что на вход квадратурного фильтра с тройным преобразованием частоты поступает сигнал f и более мощный сигнал помехи с частотой, значительно отличающейся от нее. При наличии амплитудной модуляции несущей этого сигнала, на выходе первого 16 и второго 17 перемножителей, например ввиду их неидеальности, может выделяться низкочастотная составляющая с амплитудой, пропорциональной глубине модуляции несущей этого сигнала. Однако, благодаря использованию цепи обратной связи в составе третьего сумматора 6, второго блока 2 вычитания, третьего 14 и четвертого 15 фильтров нижних частот, девятого 24 и десятого 25 перемножителей с восьмым 31 и седьмым 30 генераторами опорных напряжений, пятого сумматора 8 и операционного усилителя 3, а также использованию в прямой цепи третьего 18, четвертого 19, пятого 20 и шестого 21 перемножителей в совокупности с первым блоком 1 вычитания, вторым сумматором 5, третьим сумматором 6 и вторым блоком 2 вычитания обеспечивается перенос спектра сигнала помехи в область высоких частот за пределы частот среза первого 12, второго 13, третьего 14 и четвертого 15 фильтров нижних частот. Седьмой 22 и восьмой 23 перемножители служат для восстановления спектра входного сигнала, поэтому на выходе четвертого сумматора 7 формируется выходной сигнал, в котором существенно подавлен зеркальный канал, что обеспечивает повышение помехоустойчивости предложенного квадратурного фильтра путем обеспечения большей величины коэффициент подавления по зеркальному каналу в условиях возможного разброса параметров элементов схемы. При этом, частота пятого 28 и шестого 29 генераторов опорных напряжений для седьмого 22 и восьмого 23 перемножителей может выбираться практически произвольной, поэтому устройство способно работать как с переносом спектра входного сигнала в область более низких частот, так и с полным восстановлением спектра входного сигнала.
Таким образом, благодаря введению дополнительных элементов и связей, в частности, тем, что, введены первый, второй, третий, четвертый и пятый сумматоры, первый и второй генераторы опорного напряжения, полосно-пропускающий фильтр, первый, второй, третий и четвертый фильтры нижних частот, а также первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый перемножители и третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой генераторы опорных сигналов, причем, первый вход первого сумматора является входом входного сигнала, второй вход - соединен с выходом операционного усилителя, а выход - соединен с первыми входом первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом третьего генератора опорного напряжения, и с первым входом второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом четвертого генератора опорного напряжения, первый и второй входы полосно-пропускающего фильтра соединены с выходами первого и второго перемножителей, соответственно, первый выход - соединен с первым входом третьего перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого генератора опорного напряжения, и с первым входом четвертого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго генератора опорного напряжения, а второй выход - соединен с первым входом пятого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого генератора опорного напряжения, и с первым входом шестого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго генератора опорного напряжения, выход третьего перемножителя соединен с первыми входами первого блока вычитания и третьего сумматора, выход четвертого перемножителя соединен с первыми входами второго сумматора и второго блока вычитания, выход пятого перемножителя соединен со вторым входом второго сумматора и со вторым входом второго блока вычитания, выход шестого перемножителя соединен со вторым входом первого блока вычитания и со вторым входом третьего сумматора, выход первого блока вычитания соединен с входом первого фильтра нижних частот, выход которого соединен с первым входом седьмого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом пятого генератора опорного напряжения, а выход - соединен с первым входом четвертого сумматора, выход второго сумматора соединен с входом второго фильтра нижних частот, выход которого соединен с первым входом восьмого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом шестого генератора опорного напряжения, а выход - соединен со вторым входом четвертого сумматора, выход третьего сумматора соединен с входом третьего фильтра нижних частот, выход которого соединен с первым входом десятого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом седьмого генератора опорного напряжения, а выход - соединен с первым входом пятого сумматора, выход второго блока вычитания соединен с входом четвертого фильтра нижних частот, выход которого соединен с первым входом девятого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом восьмого генератора опорного напряжения, а выход - соединен со вторым входом пятого сумматора, выход которого соединен со входом операционного усилителя, достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении помехоустойчивости.
Предложенный квадратурный фильтр может быть рекомендован также в качестве избирательной цепи для использования в радиоприемных устройствах при приеме частотно-модулированных сигналов. Низкочастотный сигнал, выделенный на выходе ФНЧ, будет модулирован по частоте также как и несущая принимаемого сигнала.