ДЕМОДУЛЯТОР АНАЛОГОВОГО ЧАСТОТНО МОДУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА

Демодулятор аналогового частотно модулированного сигнала
Устройство относится к области электронной обработки сигналов и может быть использовано для демодуляции аналоговых частотно модулированных (ЧМ) сигналов в средствах преобразования и измерения физических величин.
Качество демодуляции ЧМ сигнала характеризуется коэффициентом передачи (крутизной характеристики преобразования) демодулятора, минимальным уровнем вносимых им при преобразовании искажений (линейностью характеристики преобразования на рабочем участке) и их стабильностью во времени.
Из предшествующего уровня развития средств обработки сигналов известно, что в классических демодуляторах для преобразования аналогового ЧМ сигнала в амплитудно-модулированный (AM) сигнал широко используются устройства с взаимно расстроенными по частоте колебательными контурами: двух контуров, как это в балансном детекторе, или трех контуров, как это в детекторе дробного типа. Для устранения влияния паразитной AM несущего сигнала вводят двухсторонний ограничитель амплитуды.
Широко известен демодулятор аналогового ЧМ сигнала, содержащий ограничитель амплитуды ЧМ сигнала, преобразователь ЧМ сигнала в AM сигнал в виде устройства с взаимно расстроенными по частоте колебательными контурами, амплитудный детектор и устройство обработки НЧ сигнала. (Радиоприемные устройства: учебник для ВУЗов под редакцией Н.Н. Фомина. - М.: Радио и связь, 2003 с. 209).
Недостаток известного устройства состоит в том, что в нем требуемая линейность и крутизна характеристики на рабочем участке по преобразованию изменения частоты ЧМ сигнала в изменение амплитуды AM сигнала обеспечивается настраиванием контуров на разные частоты двух или даже трех контуров, что усложняет процесс настройки и ее сохранение. При этом качество преобразования обусловлено точностью и стабильностью настроек колебательных контуров с реальными катушками индуктивности, которым присуща не идентичность и чувствительность к воздействию внешних факторов среды. Причем неточность частотных настроек колебательных контуров и их отклонения (уход) под воздействием факторов среды, неточность стыковки рабочих участков резонансных характеристик (их смещение) снижает точность детектирования, вызывает трудно устранимые искажения амплитуды AM сигнала, усложняет использование. А повышение крутизны (разрешающей способности) преобразователя приводит к неизбежному повышению и усилению влияния собственных (внутренних шумов) и внешних факторов (помех) на полезный сигнал. Кроме этого наличие индуктивностей в рассматриваемых детекторах ЧМ сигнала затрудняет их реализацию средствами микроэлектроники. Все это ограничивает возможность использования их в устройствах для высокоточного и надежного детектирования аналогового ЧМ сигнала в средствах измерения.
Наиболее близким демодулятором по технической сущности является известный импульсный частотный детектор, который функционально включает триггер (ограничитель амплитуды), формирователь последовательности ЧМ импульсов, амплитудный детектор, фильтр нижних частот (НЧ) и устройство обработки и нормирования НЧ сигнала. (Измерения в электронике: под редакцией д.т.н. Кузнецов В.А. - М. «Энергоатомиздат» 1987, с. 469, § 15.2). В основе этого детектора лежит принцип преобразования аналогового ЧМ сигнала в последовательность однополярных импульсов со строгим нормированием их по амплитуде и длительности, частота следования которых соответствует закону модуляции (частоте входного сигнала). Этот нормированный частотно-импульсный модулированный сигнал амплитудным детектором и фильтром НЧ преобразуется в однополярный пульсирующий сигнал. Переменная (огибающая) составляющая этого сигнала выделяется и обрабатывается в тракте НЧ, где нормируется и поступает для использования.
Достоинство этого детектора в том, что он реализуется на микросхемах, не имеет LC контуров. А недостаток в том, что качество демодулирования напрямую зависит от точности и стабильности формирования амплитуды и длительности импульсов, а это предъявляет высокие (жесткие) требования по точности и стабильности к устройствам их формирования и влияет на стабильность работы импульсного частотного детектора в процессе эксплуатации. Кроме того не представляется возможным при необходимости своевременно и оперативно корректировать и изменять (увеличить) чувствительность детектора ЧМ сигнала, причем возможное повышение разрешающей способности (чувствительности) путем увеличения амплитуды и снижения скважности импульсной последовательности, которое непросто осуществляется, но при этом возможны искажения выходного сигнала и снижение качества (точности) демодуляции.
Задача заявляемого устройства направлена на получение технического результата в виде улучшения качества (точности) демодуляции аналогового ЧМ сигнала.
Для решения поставленной задачи в известный демодулятор аналогового ЧМ сигнала в виде импульсного частотного детектора, содержащий последовательно соединенные усилитель-ограничитель, триггер Шмидта, формирователь импульсного ЧМ сигнала, амплитудный пиковый детектор, фильтр огибающей составляющей и нормирующий усилитель на два входа, в него введены устройство сравнения сигналов и генератор пилообразного линейно изменяющегося напряжения (ЛИН) с внешним импульсным управлением (запуском) и с регулируемым стабилизатором тока заряда (СТЗ) конденсатора, который подключен выходом к входу амплитудного пикового детектора, а входом к выходу формирователя импульсного ЧМ сигнала, при этом выход амплитудного пикового детектора через фильтр огибающей составляющей подключен к закрытому по постоянному току входу нормирующего усилителя, а через устройство сравнения сигналов подключен к входу управления нормирующего усилителя. Причем в нем формирователь импульсного ЧМ сигнала выполнен в виде преобразователя логического ЧМ сигнала прямоугольной формы в последовательность коротких однополярных импульсов с частотой следования в соответствии с законом модуляции и с заданной длительностью достаточной для разряда конденсатора генератора пилообразного ЛИН. Причем в нем устройство сравнения сигналов выполнено оснащенным фильтром постоянной и медленно меняющейся составляющей, подключенным к первому входу сумматора, на второй вход которого подключен источник опорного напряжения, а выход сумматора подключен на вход управления нормирующего усилителя.
Введение генератора пилообразного ЛИН с внешним импульсным управлением (запуском) и с регулируемым СТЗ конденсатора позволило преобразовывать импульсный ЧМ сигнал в импульсный AM сигнал пилообразной формы. При этом амплитуда этих импульсов пропорциональна текущим значениям периода демодулируемого аналогового ЧМ сигнала. Для такого преобразования существенно снижаются требования к формирователю импульсного ЧМ сигнал. Он должен обеспечивать преобразование аналогового ЧМ сигнал в последовательность коротких однополярных импульсов с частотой следования в соответствии с законом модуляции и с заданной длительностью достаточной для разряда конденсатора генератора пилообразного ЛИН и без каких-либо особых требований (ограничений) к сигналу по амплитуде. При этом разрешающая способность может быть повышена за счет скважности импульсной последовательности (укорочением импульсов запуска), а при необходимости может быть повышена и делением логического сигнала с выхода триггера Шмидта. С практической точки зрения, это существенно упрощает реализацию формирователя импульсного ЧМ сигнала на основе известных доступных логических элементов без особых требований к ним, что способствует повышению достоверности и доступности преобразования аналогового ЧМ сигнала в импульсный ЧМ сигнал. А наличие регулируемого СТЗ конденсатора в генераторе пилообразного ЛИН, который наряду с обеспечением высокой линейности преобразования периода ЧМ сигнала в пропорциональное по амплитуде напряжение, позволяет при необходимости задать (установить) требуемую крутизну характеристики преобразования, что достигается изменением тока заряда конденсатора.
Следовательно, реализация метода демодулирования, включающего последовательное преобразование аналогового ЧМ сигнала сначала в импульсный ЧМ сигнал, а затем в импульсный AM сигнал, обеспечивает улучшение качества демодуляции ЧМ сигнала, как по линейности, так и по крутизне характеристики преобразования, что способствует повышению точности, и осуществима на основе применения общеизвестных и доступных аналоговых и дискретных устройств. А введенное в демодулятор устройство сравнения сигналов позволяет в процессе использования демодулятора отслеживать и опосредствовано устранять влияние возможной нестабильности несущей частоты обрабатываемого ЧМ сигнала на точность демодуляции посредством соответствующей корректировкой коэффициента усиления нормирующего усилителя, так как напрямую повлиять на несущую частоту непосредственно в демодуляторе не представляется возможным.
Все это в целом способствует достижению технического результата по повышению качества (точности) демодуляции аналогового ЧМ сигнала.
Демодулятор аналогового ЧМ сигнала поясняется блок-схемой демодулятора аналогового ЧМ сигнала на Фиг. 1 и диаграммой преобразования ЧМ сигнала в виде временных графиков напряжения на выходах элементов демодулятора на Фиг. 2.
Демодулятор аналогового ЧМ сигнала содержит последовательно соединенные усилитель-ограничитель 1, триггер Шмидта 2 на ОУ, формирователь 3 импульсного ЧМ сигнала, генератор 4 пилообразного ЛИН с внешним импульсным запуском и с регулируемым СТЗ конденсатора (на чертеже не раскрыты), амплитудный пиковый детектор 5, фильтр 6 огибающей составляющей и нормирующий усилитель 7, а также устройство сравнения сигналов А1. Причем формирователь 3 импульсного ЧМ сигнала обеспечивает формирование импульсной последовательности с высокой скважностью в виде коротких однополярных импульсов с частотой следования, соответствующей текущим изменениям частоты аналогового ЧМ сигнала с длительностью достаточной для разряда конденсатора генератора пилообразного ЛИН. При этом триггер Шмидта во входном устройстве обеспечивает шумоподавление и преобразование аналогового ЧМ сигнала в логический сигнал прямоугольной формы без дребезга на переходах, что важно для обеспечения надежного и достоверного формирования коротких импульсов с частотой демодулируемого ЧМ сигнала. Кроме того при необходимости возможно повышение разрешающей способности демодулятора простым делением логического сигнала на его выходе.
Устройство сравнения сигналов А1 содержит фильтр 8 постоянной и медленно меняющейся составляющей, подключенный к первому входу сумматора 9, при этом на его второй вход подключен источник 10 опорного напряжения, а выход сумматора 9 подключен на вход управления нормирующего усилителя 7, при этом фильтр 8 постоянной и медленно меняющейся составляющей подключен входом на выход амплитудного пикового детектора 5.
На диаграмме Фиг. 2 отображена последовательность преобразования (демодулирования) аналогового ЧМ сигнала в виде временных графиков напряжения на выходах элементов демодулятора, где:
U0 - функциональный моногармонический сигнал с единичной амплитудой;
U1 - ЧМ сигнал U0 при отсутствии паразитной амплитудной модуляции;
U2 - ЧМ сигнал U0 с искажением амплитуды на входе усилителя-ограничения 1;
U3 - ЧМ сигнал U0 на выходе усилителя-ограничителя 1;
U4 - ЧМ сигнал U0 прямоугольной формы на выходе триггера 2 Шмидт;
U5 - ЧМ сигнал U0 на выходе формирователя 3 импульсного ЧМ сигнала;
U6 - сигнал пилообразного напряжения на выходе генератора 4;
U7 - сигнал напряжения на выходе амплитудного пикового детектора 5;
U8 - сигнал напряжения на выходе нормирующего усилителя 7.
К
К
и
К
Работу устройства рассмотрим на примере демодулирования ЧМ сигнала U1, который изначально был получен модулированием моногармонического сигнала U0 с единичной амплитудой с отсылкой к графикам напряжения на диаграмме Фиг. 2. Реально сигнал U1 после прохождения по линиям связи его амплитуда под воздействием электромагнитных помех искажается и появляется паразитная AM и в результате он может приобрести, например, сигнал в вид U2, который и подается на вход усилителя-ограничителя 1. Посредством усиления и двустороннего ограничения напряжения по амплитуде в усилителе-ограничителе 1 в сигнале U2 устраняется паразитная амплитудная модуляция, и он преобразуется в сигнал напряжения U3 близкий по форме к трапецеидальной. Триггером Шмидта 2 по сигналу напряжения U3 надежно формируется соответствующий логический ЧМ сигнал U4 прямоугольной формы, период Т которого изменятся в соответствии с изменениями периода Т аналогового ЧМ сигнала без искажений и дребезга на переходах через ноль. Это позволяет исключить жесткие требования к входному усилителю 1. Логический ЧМ сигнал U4 подается на вход формирователя 3, в котором посредством общеизвестных электрических цепей и логических элементов преобразуется в импульсный сигнал U5 в виде последовательности однополярных коротких импульсов малой длительности t с высокой изменяемой скважностью в соответствии с изменением периода Т демодулируемого аналогового ЧМ сигнала. Этот импульсный ЧМ сигнала U5 подается на вход генератора 4 пилообразного линейно изменяющегося напряжения с внешним импульсным запуском и преобразуется в импульсный AM сигнал U6, который в рассматриваемом варианте (примере) он преобразуется в последовательность AM пилообразных импульсов отрицательной полярности. В том случае, если преобразование осуществляется в пилообразные импульсы положительной полярности, то фаза сигнала после демодулирования сдвигается на 180 градусов.
m
H
СП
H
H
Известно, что импульсы пилообразной (треугольной) формы характеризуются: амплитудой U; временем нарастания T; временем спада t, а также скоростью нарастания V=(U/t),
СП
m
СП
н
скоростью спада V=(U/t) и коэффициентом нелинейности пилообразного напряжения К.
k
Н
mk
H
H
H
k
СП
k
CП
И
СП
И
max
СП
max
Н
H
В предлагаемом устройстве генератором 4 по каждому k текущему (мгновенному) значению периода T входного ЧМ сигнала за время нарастания t формируется пилообразный импульс с амплитудой U=(V*t), где время нарастания t=(T-t), равное мгновенному (текущему) значению периода T за вычетом времени спада t. Длительность t импульсов управления (запуска) на входе генератора 4 задается минимальной в соответствии с временем спада t (временем разряда конденсатора) в виде t=(U/V), где U- максимальная возможная амплитуда пилообразного ЛИН, которую может быть задана на выходе генератора с коэффициентом нелинейности К в пределах нормы. Это позволяет осуществить преобразование импульсного ЧМ сигнала U5 в импульсный AM сигнал U6 пилообразной формы. При этом наличие регулируемого стабилизатора тока заряда конденсатора в генераторе 4 пилообразного импульсного напряжения, который наряду с обеспечением линейности преобразования периода ЧМ сигнала в пропорциональное по амплитуде напряжение, позволяет при необходимости задать (установить) требуемую крутизну характеристики преобразования изменением скорости нарастания V заряда конденсатора, что достигается изменением тока заряда конденсатора. Следует заметить, что сигнал несущей частоты при отсутствии модуляции будет преобразовываться в последовательность пилообразных импульсов с неизменной амплитудой.
F
Пилообразное напряжение U6 с выхода генератора 4 подается на вход амплитудного пикового детектора 5, где по пиковым значениям AM пилообразных импульсов формируется сигнал пульсирующего напряжения U7, содержащий переменную составляющую пропорциональную сигналу U0 и постоянную составляющую в виде U пропорциональную периоду (частоте) несущей. Пульсирующее напряжение U7 через фильтр 6 огибающей составляющей подается на вход нормирующего усилителя 6, в котором переменная составляющая усиливается, нормируется и в виде напряжения U8 используется по назначению.
F
F
F
F
F
0
F
F
F
В том случае, если в принимаемом сигнале исходное значение несущей частоты ЧМ сигнала входного напряжения U2, по причинам вне демодулятора, начнет уходить (изменяться), то со временем может появиться погрешность демодулирования. Процесс ухода несущей частоты медленный и будет вызывать изменение постоянной составляющей U пульсирующего напряжения U7 на (+ΔU) или (-ΔU) соответственно изменению периода несущей составляющей. Для устранения погрешности детектирования ЧМ сигнала напряжение (U±ΔU) выделяется фильтр 8 постоянной и медленно меняющейся составляющей и подается на первый вход сумматора 9, а его на второй вход подается напряжение U от источника 10 опорное напряжения, соответствующее U исходному (начальному) значению частоты несущей ЧМ сигнала. С выхода сумматора 9 выдается напряжение (+ΔU) или (-ΔU), соответствующее изменению частоты несущей ЧМ сигнала, которое подается на вход управления нормирующего усилителя 7 для соответствующего изменения его коэффициента усиления, что способствует не снижению точности демодулятора.
Следовательно, предлагаемый демодулятор обеспечит повышение качества демодуляции аналогового ЧМ сигнала и по линейности и по крутизне характеристики преобразования на рабочем участке, что способствует повышению точности.
Таким образом, демодулятор аналогового ЧМ сигнал, как он характеризован в независимом пункте формулы, может быть реализован на основе общеизвестных и доступных аналоговых и дискретных устройствах и при его осуществлении способен обеспечить достижение заявленного технического результата. Следовательно, заявленное техническое устройство соответствует требованию "Промышленная применимость".