СПОСОБ ДЕМОДУЛЯЦИИ ФАЗОМОДУЛИРОВАННЫХ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF DEMODULATING PHASE MODULATED RADIO-FREQUENCY SIGNALS AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано для демодуляции фазоманипулированных, а также фазомодулированных сигналов.
Известен способ демодуляции фазомодулированных сигналов (ФМС), состоящий в том, что на два нелинейных элемента одновременно подаются в противофазе высокочастотный ФМС и в фазе высокочастотное опорное колебание с частотой, равной несущей частоте ФМС. В результате происходит сравнение изменяемой во времени фазы ФМС и постоянной фазы опорного колебания, вследствие чего осуществляется преобразование ФМС в амплитудно-модулированный и фазомодулированный сигнал (АФМС). При этом амплитуда изменяется по закону изменения фазы. Этот сигнал далее испытывает такие же преобразования, как и в амплитудном демодуляторе [Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1988, стр.286-292]. Это означает, что на нелинейных элементах спектр АФМС разрушается (разлагается) на низкочастотные и высокочастотные составляющие. Далее с помощью фильтра нижних частот выделяется низкочастотная составляющая, амплитуда которой изменяется по закону изменения фазы входного ФМС. Затем с помощью разделительной емкости, включенной в продольную цепь (последовательно) устраняется постоянная составляющая, возникшая на нелинейных элементах в результате взаимодействия с АФМС. После этого низкочастотные колебания, содержащие полезную информацию, выделяются на низкочастотной нагрузке.
Недостаток такого способа и устройства его реализации состоит в том, что для выделения низкочастотного сигнала, амплитуда которого изменяется в соответствии с законом изменения фазы высокочастотного ФМС, необходимо наличие генератора опорных колебаний. Другим недостатком является отсутствие возможности коррекции глубины амплитудной модуляции АФМС, что при прохождении через резонансные цепи приводит к уменьшению этой характеристики, то есть к известному явлению частичной демодуляции АФМС или к снижению помехоустойчивости.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ демодуляции фазомодулированных сигналов, состоящий в том, что для демодуляции ФМС используют частотный детектор, состоящий из каскадно-соединенных амплитудного ограничителя, преобразователя частотно-модулированного сигнала (ЧМС) в амплитудно-частотно-модулированный сигнал (АЧМС) в виде параллельного колебательного контура и обычного амплитудного демодулятора. Далее процесс выделения низкочастотной составляющей осуществляется так же, как описано выше. Особенность использования частотного детектора для демодуляции ФМС состоит в том, что если частота несущего сигнала ФМС расположена на правом склоне амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) контура, то низкочастотную составляющую подают на дифференцирующую цепь. Если частота несущего сигнала ФМС расположена на левом склоне АЧХ контура, то низкочастотную составляющую подают на интегрирующую цепь [Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1988, стр.286-292]. При необходимости между источником модулированных сигналов и нелинейным элементом или между нелинейным элементом и нагрузкой включают реактивный или резистивный четырехполюсник для согласования и дополнительной селекции сигнала и помехи. В результате на выходе устройства имеем низкочастотное колебание, амплитуда которого изменяется по закону изменения огибающей входного высокочастотного фазомодулированного колебания.
Недостаток способа и устройства его реализации состоит в том, что после преобразования ФМС в АФМС глубина амплитудной модуляции АФМС не контролируется и, как правило, бывает незначительной по величине, что ухудшает помехоустойчивость [Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1988, стр.286-292. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 1986, стр.247-252]. Другим недостатком является дополнительное наличие колебательного контура для преобразования ФМС в АФМС. Этот недостаток связан с тем, что классическая теория радиотехнических цепей предполагает, что нелинейный элемент является чисто резистивным и безынерционным, в связи с чем никак не реагирует на изменение частоты и фазы входного сигнала, а реагирует только на изменение амплитуды. Между тем, повседневный опыт показывает, что нелинейные элементы имеют внутренние емкости и индуктивности, которые оказывают существенное влияние на формирование зависимости их проводимости (сопротивления или элементов матрицы проводимостей или сопротивлений) от частоты и фазы. Особенно существенно это проявляется с повышением частоты, к чему в настоящее время в основном стремятся проектировщики новых систем и средств радиосвязи.
Техническим результатом изобретения является обеспечение демодуляции ФМС без использования генератора опорных колебаний и параллельного колебательного контура с преобразованием ФМС в АФМС с помощью высокочастотной части демодулятора при заданной глубине амплитудной модуляции АФМС на высокочастотной нагрузке, что повышает помехоустойчивость приемника.
21
1
2
21
21
21
1
2
1
2
21
1
2
1
2
11
12
12
22
1. Указанный результат достигается тем, что в способе демодуляции фазомодулированных сигналов, состоящем в том, что на демодулятор, состоящий из линейного реактивного четырехполюсника, двухэлектродного нелинейного элемента и избирательной нагрузки, подают фазомодулированный сигнал, фазомодулированный сигнал преобразовывают в амплитудно-фазомодулированный сигнал, преобразование фазомодулированного сигнала в амплитудно-фазомодулированный сигнал осуществляют путем подачи этого сигнала на правый или на левый склон АЧХ, низкочастотную составляющую амплитудно-фазомодулированного сигнала подают на дифференцирующую или на интегрирующую цепь соответственно, с помощью нелинейного элемента разрушают спектр амплитудно-фазомодулированного сигнала на высокочастотные и низкочастотные составляющие, с помощью фильтра нижних частот выделяют информационный низкочастотный сигнал, амплитуда которого изменяется по закону изменения фазы фазомодулированного входного сигнала, дополнительно нелинейный элемент включают между четырехполюсником и введенной высокочастотной нагрузкой в поперечную цепь, преобразование фазомодулированного сигнала в амплитудно-фазомодулированный сигнал осуществляют путем формирования склона АЧХ демодулятора с заданным отношением модулей m коэффициентов передачи на двух заданных крайних частотах f, f, соответствующих крайним значениям изменения частоты входного фазомодулированного сигнала, четырехполюсник выполняют из числа реактивных двухполюсников, не меньшего двух, значения сопротивлений которых выбраны из условия обеспечения заданной глубины амплитудной модуляции М амплитудно-фазомодулированного сигнала  при m>1 или  причем при m>1 и f>f  формируется левый склон АЧХ, при f<f - правый, а при m<1 и f>f формируется правый склон АЧХ, при f>f - левый, при этом указанное условие реализуется за счет обеспечения следующих взаимосвязей между элементами x,x= -х,x матрицы сопротивления четырехполюсника:
H1,H2
H1,H2
01,02
01,02
1,2
1,2
21
r, x и r, x - заданные действительные и мнимые составляющие сопротивлений высокочастотной нагрузки и источника сигнала на двух крайних частотах фазомодулированного или амплитудно-фазомодулированного сигнала; g, b - заданные действительные и мнимые составляющие проводимости двухэлектродного нелинейного элемента на двух указанных известных частотах; φ - заданное удвоенное значение девиации фазы входного фазомодулированного сигнала.
21
1
2
2. Указанный результат достигается тем, что в устройстве демодуляции фазомодулированных сигналов, включенном между источником фазомодулированных сигналов и низкочастотной нагрузкой и состоящем из преобразователя фазомодулированных сигналов в амплитудно-фазомодулированный сигнал в виде линейного реактивного четырехполюсника, двухэлектродного нелинейного элемента, фильтра нижних частот, дополнительно двухэлектродный нелинейный элемент включен между четырехполюсником и введенной высокочастотной нагрузкой в поперечную цепь, четырехполюсник выполнен в виде Т-образного соединения трех реактивных двухполюсников, сопротивления которых выбраны из условия формирования склона АЧХ демодулятора с заданным отношением модулей m коэффициентов передачи на двух заданных частотах f, f, соответствующих крайним значениям изменения частоты входного фазомодулированного сигнала с помощью следующих математических выражений:
H1,H2
H1,H2
0,1,02
0,1,0,2
1,2
1,2
21
1k
1k
2k
2k
r, x и r, x - заданные действительные и мнимые составляющие сопротивлений высокочастотной нагрузки и источника сигнала на двух крайних частотах фазомодулированного или амплитудно-фазомодулированного сигнала; g, b - заданные действительные и мнимые составляющие проводимости двухэлектродного нелинейного элемента на двух указанных известных частотах; φ - заданное удвоенное значение девиации фазы входного фазомодулированного сигнала, при этом каждый из двухполюсников сформирован из последовательно соединенных между собой параллельного L, C и последовательного L, C колебательных контуров, причем параметры параллельного колебательного контура определены с помощью следующих формул:
k
2k
2k
1k
1k
3
1
2
где k=1, 2, 3 - номер двухполюсника; x - сопротивления трех реактивных двухполюсников; L, C - индуктивности и емкости последовательных колебательных контуров, значения которых выбраны из условия обеспечения физически реализуемых значений индуктивностей и емкостей L, C; x - значение сопротивления третьего реактивного двухполюсника, которое выбирается из условия обеспечения положительности подкоренного выражения в формулах для определения сопротивлений x, x.
На фиг.1 показана схема устройства демодуляции фазомодулированных радиочастотных сигналов (прототип).
На фиг.2 показана структурная схема предлагаемого устройства по п.2.
На фиг.3 приведена схема четырехполюсника предлагаемого устройства по п.2.
На фиг.4 приведена схема каждого из двухполюсников, формирующих четырехполюсник (фиг.3) предлагаемого устройства по п.2.
р
н
н
Устройство-прототип содержит источник 1 фазомодулированных сигналов, четырехполюсник 2, нелинейный элемент 3, фильтр нижних частот 4 на элементах R, C, разделительную емкость 5 на элементе С и низкочастотную нагрузку 6 на элементах R, С.
Принцип действия устройства демодуляции фазомодулированных сигналов (прототипа) состоит в следующем.
Фазомодулированный сигнал от источника 1 подают на демодулятор из последовательно включенного полупроводникового диода к фильтру нижних частот. Принцип действия устройства, реализующего этот способ, состоит в том, что с помощью реактивного четырехполюсника 2, представляющего собой параллельный колебательный контур и включенного между источником ФМС и нелинейным элементом, преобразовывают ФМС в АФМС, с помощью нелинейного элемента 3 разрушают спектр АФМС на высокочастотные и низкочастотные составляющие. Последние выделяются с помощью фильтра нижних частот 4 и поступают в низкочастотную нагрузку 6. Разделительная емкость 5 устраняет постоянную составляющую. В результате на выходе устройства имеем низкочастотное колебание, амплитуда которого изменяется по закону изменения огибающей входного высокочастотного амплитудно-модулированного колебания.
Недостаток способа и устройства его реализации состоит в том, что при прохождении ФМС через указанную цепь, после преобразования ФМС в АФМС, глубина амплитудной модуляции последнего является незначительной. Это связано с большой шириной спектра ФМС или с малой добротностью контура. С другой стороны, чем уже полоса пропускания контура, тем большим искажениям подвергается принятый сигнал. В общем случае глубина амплитудной модуляции АФМС уменьшается и становится, как правило, неизвестной.
21
1
Высокочастотная часть структурной схемы обобщенного предлагаемого устройства (до фильтра нижних частот) по п.2 (фиг.2) состоит из каскадно-соединенных источника ФМС 1, реактивного четырехполюсника 2, нелинейного элемента 3 и высокочастотной нагрузки 7. Низкочастотная часть структурной схемы содержит фильтр нижних частот 4, разделительную емкость 5 и низкочастотную нагрузку 6. Реактивный четырехполюсник 2 выполнен в виде Т-образного соединения трех реактивных двухполюсников (8, 9, 10), сопротивления которых выбраны из условия формирования склона АЧХ демодулятора с заданным отношением модулей m коэффициентов передачи на двух заданных крайних частотах f, f2, соответствующих крайним значениям изменения частоты входного фазомодулированного сигнала с помощью специальных математических выражений.
0
21
1
2
1
1
2
2
Принцип действия данного устройства состоит в том, что при подаче ФМС от источника 1 с сопротивлением z в результате специального выбора значений элементов двухполюсников будет сформирован левый или правый склон АЧХ демодулятора с заданным отношением модулей m коэффициентов передачи на двух заданных частотах f, f, соответствующих крайним значениям изменения частоты входного фазомодулированного сигнала. Это обеспечивает заданную глубину амплитудной модуляции АФМС, что повышает помехоустойчивость приемника. Одновременно спектр АФМС разрушается при помощи нелинейного элемента 3, включенного между четырехполюсником и высокочастотной нагрузкой. Каждый двухполюсник сформирован таким образом, чтобы их сопротивления на двух частотах были равны. В данном изобретении они сформированы из последовательно соединенных между собой параллельного L, С и последовательного L, С колебательных контуров (фиг.4). В результате низкочастотное колебание, амплитуда которого изменяется по закону изменения фазы входного ФМС, выделяется на низкочастотной нагрузке 6.
Докажем возможность реализации указанных свойств.
ФМ
H
H
0
φ
H
H
φ
0
Пусть на вход демодулятора воздействует фазомодулированное колебание U(t)=Ucos[ωt+φ+mcos(Ωt)], где U, φ - амплитуда и частота несущего высокочастотного колебания; m - индекс фазовой модуляции; φ - начальная фаза; Ω - частота первичного информационного низкочастотного сигнала. Поскольку частота определяется производной от фазы, то одновременно с изменением фазы в фазомодулированном колебании будет происходить изменение частоты по закону
Если пределы изменения частоты фазомодулированного сигнала (ФМС) не выходят за границы левого склона амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) демодулятора, то произойдет преобразование ФМС в амплитудно-модулированный сигнал (АФМС). При этом амплитуда АФМС будет изменяться по закону (минус sin(Ωt)). Следовательно, для того чтобы закон изменения амплитуды АФМС повторял закон изменения фазы ФМС, необходимо проинтегрировать преобразованный сигнал, т.е. подать на интегрирующую цепь. Если границы изменения частот ФМС не выходят за пределы правого склона АЧХ демодулятора, то также произойдет преобразование ФМС в амплитудно-фазомодулированный сигнал (АФМС). При этом амплитуда АФМС будет изменяться по закону (sin(Ωt)). Следовательно, для того чтобы закон изменения амплитуды АФМС повторял закон изменения фазы ФМС, необходимо продифференцировать преобразованный сигнал, т.е. подать на дифференцирующую цепь.
Таким образом, основная задача при создании фазового демодулятора состоит в обеспечении условий, при которых формируется левый или правый склоны АЧХ демодулятора в заданной полосе частот, границы которой совпадают или соизмеримы с крайними значениями частот диапазона изменения частоты ФМС.
вx
вых
вых
21
вх
21
Входной модулированный высокочастотный сигнал S и преобразованный с помощью высокочастотной части демодулятора (до фильтра нижних частот) высокочастотный сигнал S связаны между собой следующим образом: S=SS, где под входным и выходным сигналом подразумевается входное и выходное напряжения; S - коэффициент передачи.
Рассмотрим фазомодулированные колебания в двух состояниях, характеризуемых крайними значениями диапазона изменения амплитуды АФМС на нелинейном элементе.
Запишем указанные физические величины в двух состояниях в комплексной форме  (модуль АФМС в двух состояниях различен); . Таким образом на выходе высокочастотной части демодулятора модули коэффициента передачи и входного сигнала перемножаются, а их фазы складываются. Выходные напряжения в двух состояниях связаны между собой следующим образом:
Поскольку модуль входного ФМС не зависит от изменения его фазы и частоты, то в (1) . Для уменьшения фазовых искажений целесообразно положить
21
вх
21
21
21
1
2
1
2
21
1
2
1
2
Введем обозначения:  m=mm;  Отношение модулей коэффициентов передачи высокочастотной части демодулятора m связано с глубиной амплитудной модуляции АФМС следующим образом:  при m>1 или  причем при m>1 и f>f формируется левый склон АЧХ, при f<f - правый, а при m<1 и f>f формируется правый склон АЧХ, при f>f - левый.
H1
H2
H1,H2
H1,H2
0,1,0,2
0,1,0,2
0,1,0,2
1,2
1,2
1,2
Пусть комплексные сопротивления высокочастотной нагрузки zz=r+jx и источника сигнала z=r+jx, а также проводимости нелинейного элемента y=g+jb на крайних значениях частоты АФМС, известны.
Рассмотрим структурную схему демодулятора, представленную на фиг.2. Четырехполюсник или согласующее-фильтрующее устройство (СФУ) 2 содержит только реактивные элементы.
12
21
Таким образом, с учетом условия взаимности (х=-х) СФУ может характеризоваться матрицей сопротивления
и соответствующей классической матрицей передачи:
11
22
21
2
где |x|=-xxx  - определитель матрицы (2).
Нелинейный элемент в двух состояниях характеризуется следующей матрицей передачи [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971. с.34-36].
01,02
H1,H2
Перемножим матрицы (3) и (4) и с учетом Z, Z запишем нормированную матрицу передачи всего устройства:
Следовательно, выражения для коэффициентов передачи будут иметь вид [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971, с. 39]:
Квадратный корень из (6) можно представить в виде комплексного числа где
.
1,2
H1,H2
1,2
H1,H2
После денормировки коэффициента передачи (6) путем умножения на  последнее выражение изменяется a=r; b=x.
Денормированный коэффициент передачи связан с физически реализуемой передаточной функцией следующим образом .
Подставим (6) в (1) и разделим между собой действительную и мнимую части в полученном комплексном уравнении:
Полученная система двух взаимосвязей (8) означает, что СФУ фазового или частотного демодулятора должно содержать не менее двух независимых реактивных элементов, значения параметров которых должны определяться по следующему алгоритму. Для конкретной схемы СФУ определяется матрица сопротивлений, которая представляется в форме (2). Определенные элементы матрицы сопротивлений, функционально зависящие от параметров конкретной схемы СФУ, подставляются во взаимосвязи (8). Сформированная таким образом система двух алгебраических уравнений решается относительно выбранных любых двух параметров. Если количество элементов М>2, то значения параметров М-2 элементов могут быть выбраны произвольно или исходя из каких-либо физических соображений, например из условий обеспечения физической реализуемости и наибольшей рабочей полосы частот.
1
1
2
2
Необходимо отметить, что при решении данной задачи предполагалось, что элементы матрицы сопротивлений (2) на двух крайних частотах входного ФМС или ЧМС являются неизменными. Это возможно только в том случае, если параметры элементов схемы СФУ являются также постоянными на этих частотах. Для получения такого результата необходимо сформировать каждый двухполюсник СФУ из не менее трех реактивных элементов типа L, C. Значения двух параметров каждого двухполюсника находятся из условия обеспечения одного и того же значения сопротивления на двух частотах АФМС. Например, для последовательно соединенных между собой параллельного L, С и последовательного L, C колебательных контуров это условие выполняется при следующих его параметрах:
k
В формулах (9) x - это реактивное сопротивление k-го двухполюсника, входящего в СФУ, значение которого определяется по изложенному выше алгоритму. При выбранных в соответствии с этим алгоритмом оптимальных значений сопротивлений двухполюсников с помощью высокочастотной части фазового демодуляторов будет реализована операция преобразования ФМС в АФМС с заданным (левым или правым) склоном АЧХ в заданной полосе частот даже в предположении, что нелинейный элемент является безынерционным.
В соответствии с изложенным алгоритмом были определены формулы для отыскания оптимальных значений сопротивлений двухполюсников типовой схемы СФУ в виде Т-образного соединения трех реактивных двухполюсников:
3
1
2
где значение сопротивления третьего двухполюсника х может быть выбрано произвольно или исходя из каких-либо физических соображений, например из условия обеспечения положительности подкоренного выражения в (10), что определяет физическую реализуемость сопротивлений x, x.
Предлагаемые технические решения являются новыми, поскольку из общедоступных сведений неизвестно устройство демодуляции ФМС, обеспечивающее формирование левого или правого склона АЧХ демодулятора с заданным отношением модулей коэффициентов передачи на двух частотах, соответствующих крайним значениям диапазона изменения частоты входного ФМС, что позволяет осуществить преобразование ФМС в АФМС с заданной глубиной амплитудной модуляции АФМС, и состоящее из нелинейного двухэлектродного элемента, включенного между выходом реактивного четырехполюсника и высокочастотной нагрузкой в поперечную цепь, причем четырехполюсник выполнен в виде Т-образного соединения трех реактивных двухполюсников, параметры которых определены по соответствующим математическим выражениям.
Предлагаемые технические решения имеют изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций (выполнение четырехполюсника реактивным в виде указанной выше схемы с выбором значений ее параметров из условия обеспечения заданной глубины амплитудной модуляции АФМС) осуществляет преобразование ФМС в АФМС без наличия источника опорного сигнала и колебательного контура.
Предлагаемые технические решения практически применимы, так как для их реализации могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью полупроводниковые диоды (параметрические диоды, p-i-n диоды, ЛПД, диоды Ганна и т.д.), индуктивности и емкости, сформированные в заявленную схему реактивных двухполюсников, входящих в заявленную схему четырехполюсника. Значения сопротивлений двухполюсников, индуктивностей и емкостей могут быть определены с помощью математических выражений, приведенных в формуле изобретения.
Технико-экономическая эффективность предложенного устройства заключается в одновременном обеспечении операции преобразования входного ФМС в АФМС с заданной глубиной амплитудной модуляции, что способствует повышению помехоустойчивости.