СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
SYNTHESIZER OF FREQUENCY-MODULATED SIGNALS

Предлагаемое устройство относится к радиосвязи и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах, предназначенных для формирования частотно-модулированных радиосигналов.
Для передачи и приема сигналов используется частотная модуляция гармонического колебания несущей частоты.
Модуляция частоты генератора гармонических колебаний описана, например, в источниках информации [1], [3], [7], но имеет существенный недостаток - низкую стабильность частоты или внеполосные составляющие.
Наиболее часто для генерации гармонических колебаний применяются синтезаторы на основе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), основные требования к которым генерировать заданную несущую частоту или частоту гетеродина с высокой стабильностью выходного колебания. Такая возможность рассмотрена в литературе, например [1], [2], [3], [8].
Типичная функциональная схема синтезатора приведена в [4] на рис.1.15. с.33.
Однако все известные технические решения не обеспечивают передачи цифровых сигналов с большим количеством одинаковых символов, например единиц.
1
1
N
NФД
Для пояснения рассмотрим частный случай. Пусть передается ЧМ сигнал с девиацией выходной частоты 5 кГц, а скорость передачи 8 кбит (длительность бита 0.125 мск), то за один бит набег фазы относительно несущего колебания составит φ=2π·0,125×5 или φ=2π·0,625. При передаче подряд N одинаковых символов φ=2π 0,625×N. На выходе фазового модулятора фаза должна измениться меньше в коэффициент деления ДПКД раз, т.е. в k раз и составить φ=27π·0,625×(N/k). В [1] показано (с.250), что максимальное значение отклонения фазы в аналоговом фазовом модуляторе ±2π/3, а в той же книге (с.272) максимальное значение отклонения фазы в цифровом фазовом модуляторе ±π. Аналогичные результаты приведены и во многих других источниках.
MAX
Таким образом, для рассматриваемого примера число одинаковых символов не должно превышать для рассматриваемого случая N=k/1,25. Если рассмотреть передачу символов в различных сочетаниях, то ограничение будет еще более жестким. Следовательно, существующие частотные модуляторы накладывают ограничение на передаваемую информацию, что не допустимо.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ЧМ синтезатор гармонических колебаний, приведенный в [5], гл.1, рис 1.8, принятый за прототип.
Функциональная схема устройства-прототипа представлена на фиг.1, где обозначено:
1 - источник информации;
4 - фазовый детектор (ФД);
5 - фильтр нижних частот (ФНЧ);
6 - управляемый генератор (УГ);
7 - опорный генератор (ОГ);
8 - делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
9 - делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
19 - интегратор;
20 - фазовый модулятор (ФМ).
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные источник информации 1, интегратор 19, ФМ 20, ФД 4, ФНЧ 5 и УГ 6, выход которого является выходом устройства и через ДПКД 9 соединен со вторым входом ФД 4. Кроме того, выход ОГ 7 через ДФКД 8 соединен со вторым входом ФМ 20.
Работает устройство следующим образом.
Опорный генератор 7 вырабатывает опорное высокочастотное колебание, частота которого делится на фиксированное число в ДФКД 8. С выхода делителя 8 высокочастотное напряжение подается на второй вход фазового модулятора 20, на первый вход которого подается напряжение низкой частоты от источника информации 1, прошедшее через интегратор 19. Выходное напряжение фазового модулятора 20 подается на первый вход фазового детектора 4, который вырабатывает напряжение, пропорциональное разности фаз между высокочастотными напряжениями на первом и втором входах ФД 4, причем на первый вход подается высокочастотное напряжение с выхода ФМ 20, а на второй вход - высокочастотное напряжение с выхода управляемого генератора 6, прошедшее через делитель с переменным коэффициентом деления 9. Выходное напряжение фазового детектора 4 интегрируется в фильтре низких частот 5 и подается на вход управляемого генератора 6 и меняет его частоту таким образом, чтобы фаза высокочастотного колебания на втором входе фазового детектора 4 была равна фазе на первом входе фазового детектора 4. По этой причине выходное напряжение УГ 6 будет иметь фазу, равную фазе высокочастотного колебания на первом входе ФД 4, увеличенную на коэффициент деления ДПКД 9 k раз. Другими словами, частота гармонического колебания на выходе УГ 6 будет больше частоты колебания на первом входе фазового детектора 4 в k раз, и отклонение фазы высокочастотного колебания будет больше, чем отклонение фазы на первом входе фазового детектора 4 в k раз.
MAX
MAX
Однако фазовые модуляторы имеют ограниченное максимальное отклонение фазы, что ограничивает число передаваемых подряд символов величиной N, более точно любая комбинация символов, в которой число нулей и единиц отличается на N, будет искажена. Таким образом, синтезатор-прототип при передаче цифрового сигнала работает неэффективно.
Задача предлагаемого технического решения - повышение эффективности передачи цифровой информации, т.е. снятие ограничения на передаваемую информацию.
Для решения поставленной задачи в синтезатор частотно- модулированных сигналов, содержащий последовательно соединенные фазовый детектор (ФД), фильтр нижних частот, управляемый генератор и делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД), выход которого соединен со вторым входом ФД, причем выход управляемого генератора является выходом синтезатора, последовательно соединенные опорный генератор и делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД), а также источник информации, согласно изобретению, введены M (M>1) генераторов синусных и косинусных составляющих частот манипуляции, синусные и косинусные выходы которых через соответствующие M масштабные усилители для синусных выходов и М масштабные усилители для косинусных выходов подключены к соответствующим входам первого и второго коммутаторов, управляющие входы которых подключены к первому выходу блока управления, второй выход которого подсоединен к управляющему входу управляемого инвертора фазы, выход которого подключен ко второму входу сумматора, выход которого соединен с первым входом ФД, при этом выход ДФКД соединен с входом формирователя квадратурного сигнала, синусный выход которого подключен к первому входу первого умножителя, а косинусный выход - к первому входу второго умножителя, выход которого соединен с входом управляемого инвертора фазы, выход первого умножителя соединен с первым входом сумматора, кроме того, выходы первого и второго коммутаторов соединены со вторыми входами соответственно первого и второго умножителей, выход источника информации соединен с входом блока управления.
Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:
1 - источник информации;
2 - блок управления;
3 - формирователь квадратурного сигнала;
4 - фазовый детектор (ФД);
5 - фильтр нижних частот (ФНЧ);
6 - управляемый генератор (УГ);
7 - опорный генератор (ОГ);
8 - делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
9 - делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
10, 11 - первый и второй умножители;
12 - управляемый инвертор фазы;
13, 14 - первый и второй коммутаторы;
1
2
M
15, 15, … 15 - масштабные усилители гармонических колебаний синусных каналов генераторов ЧМ;
1
2
M
16, 16, … 16 - масштабные усилители гармонических колебаний косинусных каналов генераторов ЧМ;
1
2
M
17, 17, … 17 - генераторы синусных и косинусных составляющих частот манипуляции;
18 - сумматор.
В настоящее время достаточно широко применяются генераторы гармонических сигналов, одновременно вырабатывающие синусную и косинусную составляющие. Например, в описании [9] цифрового приемника фирмы Analog devices AD6620 приводится функциональная схема, в которой присутствует complex NCO (Numerically Controlled Oscillator - генератор с цифровым управлением), который имеет два выхода: синусный и косинусный.
Формирователь квадратурного канала (генератор с двумя выходами синусным и косинусным) имеет несколько вариантов реализации, например, [10], с.147, рис.5.18; с.151, рис.5.21; [11], с.72 рис.3.13, рис.3.14 и др.
Предлагаемое устройство содержит опорный генератор 7, соединенный через ДФКД 8 с формирователем квадратурного сигнала 3, синусный выход которого подключен к первому входу первого умножителя 10, косинусный выход формирователя квадратурного сигнала 3 подключен к первому входу второго умножителя 11, при этом вторые входы умножителей 10 и 11 подключены к выходам первого 13 и второго 14 коммутаторов соответственно. Выход первого умножителя 10 подключен к первому входу сумматора 18, а выход второго умножителя 11 через управляемый инвертор фазы 12 подключен ко второму входу сумматора 18, выход которого соединен с первым входом фазового детектора 4, выход которого через последовательную цепочку из ФНЧ 5, УГ 6 и ДПКД 9 подсоединен ко второму входу ФД 4, причем выход управляемого генератора 6 является выходом синтезатора частот.
1
2
M
1
2
M
Источник информации 1 соединен с входом блока управления 2, первый выход которого подключен к управляющим входам коммутаторов 13 и 14, а второй выход блока управления 2 подключен к управляющему входу инвертора фазы 12. Кроме того, синусные и косинусные выходы М генераторов синусных и косинусных составляющих частот манипуляции 17 через соответствующие масштабные усилители 15, 15, … 15, для синусных выходов и масштабные усилители 16, 16, … 16 для косинусных выходов подключены к соответствующим входам первого 13 и второго 14 коммутаторов.
Прежде чем рассматривать работу предлагаемого устройства, рассмотрим принцип формирования многочастотной телеграфии (МЧТ). Рассмотрим самый простой случай 4-позиционной частотной телеграфии, т.е. существуют четыре информационные позиции 0, 1, 2 и 3. Пусть 0 соответствует девиации частоты -2ΔF, пусть 1 соответствует девиации частоты -ΔF, пусть 2 соответствует девиации частоты ΔF, пусть 3 соответствует девиации частоты 2ΔF.
Аналогичным образом можно представить работу при произвольном числе позиций. Отметим еще раз, что девиация выходного сигнал синтезатора будет больше в к раз, т.е. -2kΔF, -kΔF, kΔF, 2kΔF.
0
0
Пусть требуется передать позицию 3, т.е. установить девиацию 2ΔF. В соответствии со сказанным выше, на входах первого умножителя 10 будут действовать гармонические сигналы sin(2πft) и sin(2π2ΔFt), а на входах второго умножителя 11 будут действовать гармонические сигналы cos(2πft) и cos(2π2ΔFt). Напряжение u(t) на выходе сумматора 18 можно записать в виде
0
0
u(t)=sin(2π2ΔFt)sin(2πft)±cos(2π2ΔFt)cos(2πft)
или в соответствии с формулой для косинуса суммы двух углов
0
u(t)=-cos(2π(f±2ΔF)t).
Таким образом, изменяется частота на первом входе фазового детектора 4, что приведет и к изменению выходной частоты синтезатора на 2ΔF, а фазы - на 2ΔFt. При таком подходе фаза растет линейно от времени и принципиально отсутствует ограничения ее роста по величине. Следовательно, снимается ограничение на передаваемую информацию по количеству передаваемых подряд одинаковых символов.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства в целом.
1
2
M
1
2
M
1
2
M
1
2
M
i
1
2
M
1
2
M
i
1
2
M
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Генераторы синусных и косинусных составляющих частот манипуляции 17, 17, … 17 вырабатывают гармонические колебания на частотах ΔF, ΔF, … ΔF, причем каждый генератор вырабатывает синусоидальную и косинусоидальную составляющие гармонического колебания с соответствующей частотой. Синусоидальные составляющие от генераторов 17, 17, … 17 подключаются к входам масштабных усилителей гармонических колебаний 15, 15, … 15 (обеспечивают преобразование фазовой модуляции в частотную - умножение на 1/F). Косинусоидальные составляющие от генераторов 17, 17, … 17 подключаются к входам масштабных усилителей гармонических колебаний 16, 16, … 16 (обеспечивают преобразование фазовой модуляции в частотную - умножение на 1/ΔF, i принимает значения от 1 до M). Выходные напряжения масштабных усилителей синусоидальных гармонических колебаний 15, 15, … 15 подаются на входы первого коммутатора 13, на управляющий вход которого подается команда от блока управления 2, эта команда подключает на выход коммутатора 13 и, следовательно, к входу первого умножителя 10 одну из M синусоидальных гармонических составляющих. Номер (от 0 до M) гармонической составляющей определяется блоком управления 2 по цифровой информации от источника 1.
1
2
M
i
i
i
i
Выходные напряжения масштабных усилителей косинусоидальных гармонических колебаний 16, 16, … 16 подаются на входы второго коммутатора 14, на управляющий вход которого подается команда от блока управления 2, эта команда подключает на выход коммутатора 14 и, следовательно, к входу второго умножителя 11 через управляемый инвертор фазы 12 одну из M косинусоидальных гармонических составляющих. Номер (от 0 до M) гармонической составляющей определяется блоком управления 2 по цифровой информации от источника 1, переключение фазы в управляемом инверторе фазы 12 осуществляется тоже по команде блока управления 2 в зависимости от знака отклонения частоты. На другой вход первого умножителя 10 подается синусоидальное напряжение с выхода формирователя 3, а на другой вход второго умножителя 11 - косинусоидальное напряжение с другого выхода формирователя 3. Выходные напряжения умножителей 10 и 11 суммируются сумматором 18, выход которого подается на первый вход фазового детектора 4. На второй вход фазового детектора 4 подается напряжение с выхода управляемого генератора УГ 6 через делитель с переменным коэффициентом деления 9, разность фаз между гармоническими колебаниями на первом и втором входах фазового детектора 4 является сигналом ошибки, который с выхода фазового детектора 4 подается через фильтр нижних частот 5 на управляющий вход управляемого генератора 6 и перестраивает генератор 6 по частоте таким образом, что его фаза, деленная в делителе с переменным коэффициентом деления 9, становится равной фазе гармонического колебания на первом входе фазового детектора 4. Таким образом, выходная частота гармонического колебания управляемого генератора 6 смещается по частоте на величину kΔF, а фаза меняется на 2πΔFt. При изменении знака в управляемом инверторе фазы 12 выходная частота гармонического колебания управляемого генератора 6 смещается по частоте на величину - kΔF, а фаза меняется на -2πΔFt. Отметим, что число позиций при M генераторах составляет 2М за счет изменения знака.
Блок управления может быть выполнен, например, по схеме, приведенной на фиг.3, где D1 - сдвиговый регистр; D2 - счетчик; D3.2, D3.3 - управляемые инверторы; D4 - дешифратор.
Блок управления работает следующим образом. Данные в последовательном виде загружаются в сдвиговый регистр D1, счетчик на D2 после прихода трех тактовых импульсов выдает сигнал разрешения на сдвиговый регистр, по которому последний выдает ранее записанную информацию на выход в параллельном виде. Элементы D3.2 и D3.3 используются в качестве управляемых инверторов. Дешифратор на элементе D4 преобразовывает двоичную комбинацию в позиционный код, представляющий собой набор сигналов для управления полярностью и включением генераторов. Элемент D3.1 используется в качестве инвертора. Счетчик D2 с элементом D3 работает в режиме деления на три.
Блок управления, реализованный по схеме на фиг.3, может быть выполнен на микросхемах фирмы Texas Instruments: элемент D1 - SN74hc595; D2 - SN74alsl61; D3 - SN74als86; D4 - SN74als139.
Источники информации
1. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. Под ред. В.Н.Кулешова и Н.Н.Удальцова. - М.: Издательский дом МЭИ. 2008. - 416 с.: ил.
2. Радиопередающие устройства. Шахгильдян В.В., Козырев В.Б., Ляховкин А.А. и др. Под ред. В.В.Шахгильдяна. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. - 432 с.: ил.
3. Радиопередающие устройства. Шахгильдян В.В., Козырев В.Б., Ляховкин А.А. и др. Под ред. В.В. Шахгильдяна. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2003. - 560 с.: ил.
4. Манассевич В. Синтезаторы частот (Теория и проектирование): Пер. с англ. / Под ред. Галина. М.: Связь, 1979. - 384 с. ил.
5. Тихомиров Н.М., Романов С.К., Леньшин А.В. Формирование ЧМ-сигналов в синтезаторах с автоподстройкой. - М.: Радио и связь, 2004. - 210 с.: ил.
6. Системы фазовой синхронизации / Акимов В.Н., Белюстина Л.Н., Белых В.Н. и др.; Под ред. В.В.Шахгильдяна, Л.Н. Белюстиой - М.: Радио и связь, 1982 - 288 с., ил.
7. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: «Советское радио». 1971. - 672 с.
8. Капранов М.В. Элементы теории систем фазовой синхронизации. - М.: Издательство МЭИ, 2006. - 208 с.
9. ANALOG DEVICES 65 MSPS Digital Receive Signal Processor. AD6620.
10. Диксон P.K. Широкополосные системы. Пер. с анг. / Под ред. В.И.Журавлева. - М.: Связь, 1979. - 304 с., ил.
11. Теория передачи сигналов на железнодорожном транспорте. Горелов Г.В. Фомин А.Ф. и др. М.: Транспорт, 2001. - 415 с.