ЦИФРОВОЙ ДЕТЕКТОР АМПЛИТУД
DIGITAL AMPLITUDE DETECTOR

Изобретение относится к радиотехнике, к области детектирования амплитудно-модулированных колебаний, и может быть использовано в радиоприемных и передающих устройствах.
Известны детекторы амплитуд: патент SU 1417183 «Аналого-цифровой амплитудный детектор» от 10.09.1986, МПК Н03К 9/02, патент SU 1617623 «Амплитудно-частотный детектор» от 09.01.1989, МПК H03D 3/06, патент SU 1257540 «Цифровой амплитудный детектор» от 03.01.1985, МПК G01R 19/25, авторское свидетельство №543154 «Цифровой амплитудный детектор» от 15.06.1973, МПК Н03К 9/02.
Известные цифровые и аналого-цифровые амплитудные детекторы содержат в своей структуре аналого-цифровые преобразователи и элементы, формирующие из аналогового входного сигнала импульсные сигналы в логических уровнях для обеспечения режимов формирования выходного сигнала детектора в формате слов в двоичном коде. При этом преобразование проводится в середине полуволны сигнала, что для синусоидального сигнала соответствует амплитудному значению. Сдвиг фаз производят с помощью фазовращателей или регистров.
Приемлемая высокая точность детектирования в известных детекторах может быть обеспечена только при нулевых порогах компаратора, регистраторов «нуля» входного сигнала, что и оговаривается в описаниях принципа работы детектора.
Реально пороговые устройства имеют пусть сколь угодно малый, но отличный от нулевого значения порог, что резко снижает точность детектирования при уровнях аналогового входного сигнала, близких к значению порога из-за фазового набега, зависящего от уровня детектируемого сигнала, который смещает (по времени, по фазе) положение фронта выходного импульса порогового устройства (компаратора) относительно максимума полуволны синусоиды.
com
При настроенном, но не следящем в автоматическом режиме фазосдвигающим элементом, как правило, фазовращателем, фазовый сдвиг Δφ постоянный и равен π/2 при отсчете от нуля синусоиды. Но нулевой порог компаратора дает дополнительную фазовую составляющую Δφ, равную
com
где Δφ - запаздывание по фазе фронта импульса на выходе компаратора относительно нулевого значения синусоиды (при фазе, равной нулю);
порог
U - порог срабатывания компаратора;
c
U - амплитуда сигнала (синусоиды).
com
порог
c
порог
c
То есть при малых уровнях входных сигналов к фазовому сдвигу π/2, обеспеченному фазовращателем, прибавляется величина Δφ, что приводит к считыванию уровня сигнала синусоиды не амплитудного значения. Так при отношении U/U, равном 10, фазовый набег составит величину около 5° и считанная величина сигнала (cos5°) составит 0,996 от амплитуды (ошибка 0,4%). При соотношении U/U, равном 2, фазовый набег составит величину 30°, а считанная величина сигнала составит (cos30°) 0,866 амплитуды (ошибка 13%).
Известен патент SU 1742985 «Аналого-цифровой амплитудный детектор» от 01.03.1990, МПК Н03К 9/02, который взят за прототип.
К недостаткам известного устройства относится невысокая точность детектирования при малых уровнях сигнала.
Цель изобретения - увеличение динамического диапазона по уровню входных сигналов за счет снижения нижнего порога значения сигнала, при котором сохраняется высокая точность детектирования.
Технический результат достигается введением в схему формирователя тактовых сигналов (выходных импульсов компаратора), управляемого по фазе фазовращателя с контуром фазовой автоподстройки, компенсирующим в динамическом режиме фазовые набеги (временные задержки) в компараторе при «ненулевом» пороге.
Цифровой детектор амплитуд, содержащий аналого-цифровой преобразователь, сигнальный вход которого соединен со входом детектора, компаратор и генератор тактовых импульсов, отличается тем, что с целью повышения точности детектирования, увеличения динамического диапазона сигнала по уровню и расширения частотного диапазона несущих амплитудно-фазомодулированного сигнала, введен модуль фазовой автоподстройки, состоящий из перестраиваемого по частоте генератора с двумя квадратурными выходами сигнала по фазе, фазового детектора и двух линеек преобразования частоты, состоящих из последовательно включенных преобразователя частоты и усилителя промежуточной частоты каждая, выходы усилителей промежуточной частоты соединены со входами фазового детектора, гетеродинные входы преобразователей частоты соединены отдельно каждый с одним из квадратурных выходов перестраиваемого генератора, а выход фазового детектора через параллельно соединенные интегратор и фильтр нижних частот соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, при этом тактовый вход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом детектора через последовательно включенный управляемый фазовращатель, амплитудный компаратор и формирователь входных тактовых импульсов аналого-цифрового преобразования, при этом вход управляемого фазовращателя соединен со входом преобразователя частоты первой линейки преобразования частоты, а вход преобразователя частоты второй линейки преобразования частоты соединен с выходом амплитудного компаратора, а выход генератора тактовых импульсов соединен со вторым входом формирователя входных тактовых импульсов аналого-цифрового преобразования.
На чертеже приведена структурная электрическая схема цифрового детектора амплитуд.
Цифровой детектор амплитуд содержит аналого-цифровой преобразователь 1 (АЦП 1), вход которого является входом детектора, и формирователь 2 импульсов управления АЦП 1. Формирователь 2 включает в свой состав управляемый фазовращатель 3, вход которого соединен со входом детектора. Тактовый вход АЦП 1 соединен с выходом управляемого фазовращателя 3 через последовательно включенный аналоговый компаратор 4 и формирователь 5 входных тактовых импульсов аналого-цифрового преобразования в формате, обеспечивающем цикл аналого-цифрового преобразования. Второй вход формирователя 5 входных тактовых импульсов аналого-цифрового преобразования подключен к выходу генератора 6 тактовых импульсов синхронизации режима формирования пакетов выходных тактовых импульсов формирователя 5 входных тактовых импульсов аналого-цифрового преобразования.
Контур фазовой автоподстройки содержит две однотипные линейки преобразования частоты, преобразующие рабочую входную частоту несущей детектируемого амплитудно-модулированного сигнала в промежуточную, являющуюся рабочей частотой фазового детектора 12. Вход первой линейки преобразования частоты соединен со входом детектора и состоит из преобразователя 7 частоты и усилителя 10 промежуточной частоты. Вход второй линейки преобразования частоты соединен с выходом амплитудного компаратора 4 и состоит из преобразователя 8 частоты и усилителя 11 промежуточной частоты. Перестраиваемый генератор 9 обеспечивает преобразователи 7 и 8 частоты гетеродинными напряжениями, причем напряжения гетеродинов преобразователя 7 частоты и преобразователя 8 частоты имеют фазовый сдвиг относительно друг друга π/2. Выходы усилителей 10 и 11 промежуточной частоты соединены раздельно соответственно с первым и вторым входом фазового детектора 12. Выход фазового детектора 12 через параллельно соединенные интегратор 13 и фильтры нижних частот 14 подключен к управляющему входу управляемого фазовращателя 3.
3
4
3
4
Цифровой детектор амплитуд работает следующим образом. Амплитудно-модулированное колебание подается на вход детектора, то есть на вход аналого-цифрового преобразователя 1, вход управляемого фазовращателя 3 и вход преобразователя 7 частоты. Амплитудный компаратор 4 преобразует выходной аналоговый сигнал управляемого фазовращателя 3 в сигнал прямоугольной формы в логических уровнях. Выходной сигнал амплитудного компаратора 4 по переднему фронту запускает (вводит в рабочий режим) формирователь 5 входных тактовых импульсов аналого-цифрового преобразования и выходными тактовыми импульсами, сформированными из импульсов генератора 6 тактовых импульсов, проводится цифровое преобразование мгновенного значения входного уровня АЦП 1 в его выходной код. Фазовременные соотношения, то есть положение фронта выходного сигнала амплитудного компаратора 4, определяющего момент начала аналого-цифрового преобразования и фазы синусоиды несущей AM колебаний, обеспечивается контуром фазовой автоподстройки. Входной сигнал, приведенный по частоте к промежуточной, при фазе гетеродина преобразователя 7 π/2 относительно фазы гетеродина преобразователя 8 поступает на первый вход фазового детектора 12. Входной сигнал, прошедший через управляемый фазовращатель 3, будет смещен по фазе на величину Δφ и с задержкой по фазе, внесенной амплитудным компаратором 4, еще на величину Δφ. После преобразователя 8 с фазой гетеродина 0° на промежуточной частоте поступает на второй вход фазового детектора 12. В контуре фазовой автоподстройки с интегратором 13 статическая ошибка (рассогласование по фазе) равна нулю, то есть контур автоподстройки установит величину фазового сдвига, выполненного управляемым фазовращателем 3 такой, чтобы фазы сигналов, поступающих на входы фазового детектора 12, совпадали, а это означает, что суммарный сдвиг по фазе фронта импульса на выходе амплитудного компаратора 4 (Δφ+Δφ) относительно фазы входного сигнала будет равен π/2, то есть четверти периода частоты несущей AM колебания и момент оцифровывания совпадает с фазой π/2 с амплитудным значением синусоидального сигнала несущей.
4
4
При изменении уровня несущей нелинейно по закону огибающей будет изменяться величина Δφ, вносимая амплитудным компаратором 4. Контур фазовой автоподстройки через фильтр 14 нижних частот полосой пропускания, обеспечивающей прохождение верхней модулирующей частоты огибающей, отслеживает изменение величины Δφ, сохраняя суммарный сдвиг равным π/2. Кроме того, контур фазовой автоподстройки отрабатывает фазовую модуляцию несущей частоты и благодаря квадратуре сигналов гетеродина удерживает разность фаз сигналов на выходе амплитудного компаратора 4 и входного сигнала равной π/2.
3
3
Предельно такой цифровой детектор амплитуд может обеспечить детектирование сигнала с уровнем амплитуды вплоть до порогового значения амплитудного компаратора 4 при сохранении высокой точности удержания сдвига π/2, а при коэффициенте К передачи управляемого фазовращателя 3 больше единицы до уровней в К раз меньше порога.
Простота реализации заявленного цифрового детектора амплитуд обеспечивается наличием следующих факторов. Единственными линейными элементами детектора являются фазосдвигающие цепи управляемого фазовращателя 3 до входа АЦП 1. К характеристикам преобразователей 7 и 8 частоты жестких требований по линейности, особенно при применении детекторов передающих трактов в качестве датчиков-измерителей входных и выходных уровней, не предъявляется. Усилители 10 и 11 промежуточной частоты для четкой работы фазового детектора 12 целесообразно создавать с нелинейными выходными каскадами - ограничителями амплитуд и компараторами. При большом коэффициенте усиления по промежуточной частоте не представляет сложности обеспечить устойчивую работу фазового детектора 12 и всего контура фазовой автоподстройки при минимальных уровнях сигнала, то есть уровнях, меньших, чем для тракта управляемый фазовращатель 3 - амплитудный компаратор 4.
Таким образом, цифровой детектор амплитуд по структуре на чертеже позволит расширить динамический диапазон по уровню, снизив нижний порог сигнала, при котором обеспечивается высокая точность детектирования амплитуд. Кроме того, введение перестраиваемого квадратурного гетеродина позволяет увеличить значение верхней частоты детектируемой несущей AM колебаний вплоть до величины, равной предельной частоте обработки сигнала аналого-цифровым преобразователем 1 при сохранении высокой точности детектирования.