УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО СИГНАЛА
DEVICE TO AMPLIFY PULSE SIGNAL

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к области обработки импульсов, и может быть использовано в различных технических, в том числе радиофизических, системах, для усиления импульсов в различных системах передачи и приема информации и в других технических импульсных системах.
Известны устройства усиления импульсных сигналов (см., например, сс.266-268 в кн.: Клягин Л.Е. Радиопередающие устройства / Л.Е.Клягин, В.Б.Козырев, А.А.Ляховкин и др. / под ред. В.В.Шахгильдяна. М.: Связь, 1980, 328 с.; сс.116-130, 232-241 в кн.: Белов Л.А. Радиопередающие устройства / Л.А.Белов, М.В.Благовещенский, В.М.Богачев и др. / под ред. М.В.Благовещенского, Г.М.Уткина. М.: Радио и связь, 1982, 408 с.; сс.109-112, 340-343, 376-382 в кн.: Каганов В.И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И.Каганов, В.К.Битюков. М.: Горячая линия - Телеком, 2007, 542 с.).
Из известных наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для усиления импульса, описанное на сс.109-112, 340-343, 376-382 в кн.: Каганов В.И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И.Каганов, В.К.Битюков. М.: Горячая линия - Телеком, 2007, 542 с., и содержащее смеситель, генератор синусоидального колебания, генератор модулирующего колебания и усилитель, при этом выход генератора синусоидального колебания соединен с первым входом смесителя, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего колебания, а частота модулирующего колебания выбрана меньше частоты синусоидального колебания. В данном устройстве сформированный импульсный сигнал (или как одиночный импульс, или как последовательность (пачка) импульсов) усиливается за счет непосредственного усиления высокочастотной, модулированной составляющей (несущего колебания) радиоимпульса. Низкочастотное (сравнительно с несущим колебанием усиливаемого импульса) модулирующее колебание, определяющее огибающую, является неотъемлемой частью результата модуляции высокочастотных колебаний - составляющих радиоимпульса (несущего колебания). Огибающей радиоимпульса при этом признается условная кривая, огибающая высокочастотное заполнение (несущую) радиоимпульса, описывающее аппроксимированное изменение амплитуды такого заполнения (несущего колебания). То есть усиление основного сигнала (несущего колебания радиоимпульса) влечет и увеличение амплитуды его модуляции (в абсолютном значении).
Усиление пачки импульсов производится как усиление каждого из импульсов, входящих в такую пачку. При этом пачка импульсов - условная последовательность сформированных одиночных импульсов. То есть понятие «пачки импульсов» носит условный характер.
Однако, в случае большой частоты повторения импульсов, или в случае использования импульсов более сложных форм, или сверхкоротких импульсов наличествует большее количество колебаний заполнения импульса. Поэтому в известном устройстве возникают технические проблемы с усилением таких импульсов, с помощью данного устройства, вследствие резонансной настройки усилителя или недостаточности его полосы пропускания (даже в случае широкополосных усилителей). Кроме того, усиление импульсов в составе пачки, следующих с малой скважностью (с большой частотой повторения), приводит к увеличению шумов, т.к. при близкорасположенных (во времени) импульсах накачка энергии производится не только в сами радиоимпульсы, но и в течение пауз между импульсами производится насыщение энергией на частоте модулируемого колебания, что обуславливает необходимость фильтрации мощных помех, связанной с техническими затруднениями. Более того, при усилении импульсов за счет накачки энергии в резонансный контур необходимо добиваться синфазности колебаний (модулируемого колебания и колебания ВЧ, энергия которого обеспечивает требуемое усиление), что также является недостатком известного устройства. Помимо этого известное устройство не обеспечивает усиление солитонов.
Таким образом, возникают технические проблемы и затруднения при усилении сверхширокополосных импульсов, пачек импульсов (с большой частотой повторения импульсов - с малой скважностью), а также при усилении импульса с априори неизвестными параметрами и характеристиками.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение усиления импульсных сигналов с априори неизвестными параметрами и характеристиками, сверхширокополосных импульсов, пачек импульсов и импульсов в составе пачек импульсов, следующих с большой частотой повторения, а также обеспечение возможности подстройки параметров усиления под параметры усиливаемого импульсного сигнала (импульса или пачки импульсов).
Технический результат выражается в создании устройства усиления импульсных сигналов - как одиночных импульсов, так и импульсов в составе пачки импульсов, в котором реализуется усиление импульсов, за счет усиления огибающей, при априори неизвестных параметрах и характеристиках импульсов, а также реализуется усиление сверхширокополосных импульсов, импульсов в составе пачек импульсов, следующих с большой частотой повторения.
Результат достигается тем, что в устройство для усиления импульсного сигнала, содержащее первый смеситель, генератор синусоидального колебания, генератор первого модулирующего колебания и усилитель, при этом выход генератора синусоидального колебания соединен с первым входом первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом генератора первого модулирующего колебания, а частота первого модулирующего колебания выбрана меньше частоты синусоидального колебания, введены второй смеситель, генератор второго модулирующего колебания, генератор накачки, а также выходной блок, причем выход первого смесителя соединен с первым входом второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом генератора второго модулирующего колебания, выход генератора накачки подключен ко входу усилителя, выход которого соединен с одним входом выходного блока, другой вход которого подключен к выходу второго смесителя, а выход является выходом устройства, при этом выходной блок выполнен или в виде сумматора, или в виде перемножителя, а частота второго модулирующего колебания выбрана меньше частоты первого модулирующего колебания.
На дату подачи материалов заявки авторам не известны технические решения, совокупность существенных отличительных признаков которых совпадает с заявляемой.
Функциональная схема устройства для усиления импульсного сигнала представлена на чертеже.
Устройство включает в себя первый смеситель 1, первый вход 2 которого соединен с выходом генератора 3 синусоидального колебаний, а второй вход 4 - с выходом генератора 5 первого модулирующего колебания. Выход первого смесителя 1 соединен с первым входом 6 второго смесителя 7, второй вход 8 которого соединен с выходом генератора 9 второго модулирующего колебания. Выход второго смесителя 7 соединен с первым входом 10 выходного блока 11. Выход генератора накачки 12 подключен ко входу усилителя 13, выход которого соединен со вторым входом 14 выходного блока 11, выход 15 которого является выходом устройства. Выходной блок 11 может быть выполнен или в виде сумматора, или в виде перемножителя.
Предлагаемое устройство для усиления импульсного сигнала функционирует, например, следующим образом.
o
o
Генератор 3 синусоидального колебания формирует некоторое высокочастотное несущее колебание u(t) (с частотой ω), подаваемое на первый вход 2 первого смесителя 1:
o
o
o
где u(t) - несущее (модулируемое) синусоидальное колебание; U - амплитуда несущего колебания; ω - частота несущего колебания; t - параметр времени.
м1
1
На второй вход 4 первого смесителя 1, с выхода генератора 5 первого модулирующего колебания, подается сформированное низкочастотное первое модулирующее колебание U(t) (с частотой Ω):
м1
м1
1
где U(t) - первое модулирующее колебание; U - амплитуда первого модулирующего колебания; Ω - частота первого модулирующего колебания.
1
o
При этом генератор 3 и генератор 5 могут быть выполнены по стандартной схеме автогенератора (например, описываемого на сс.39-43 в книге: Бунин С.Г. Справочник радиолюбителя-коротковолновика / С.Г.Бунин, Л.П.Яйленко. К.: Технiка, 1984, 264 с.). Отличия генераторов, в данном случае, определяются типами используемых полупроводниковых элементов, связанных с частотами формируемых колебаний, так как частота первого модулирующего колебания выбирается меньшей частоты синусоидального колебания. То есть Ω<ω. Первый смеситель 1 может быть выполнен по схеме, описываемой, например, на сс.34-37 в книге: Бунин С.Г. Справочник радиолюбителя-коротковолновика / С.Г.Бунин, Л.П.Яйленко. К.: Технiка, 1984, 264 с.; сс.384-396 в кн.: Каганов В.И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И.Каганов, В.К.Битюков. М.: Горячая линия - Телеком, 2007. 542 с.; сс.115-128 в кн.: Поляков В.Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования / В.Т.Поляков. М.: Патриот, 1990, 264 с., а также на сс.156-171 в кн.: Клягин Л.Е. Радиопередающие устройства / Л.Е.Клягин, В.Б.Козырев, А.А.Ляховкин и др. / под ред. В.В.Шахгильдяна. М.: Связь, 1980. 328 с.; на сс.327-329 в кн.: Ленк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство / Дж.Ленк. М.: Мир, 1985, 343 с.
В целом, первая модуляция синусоидального колебания, в данном случае, представляет процесс формирования импульсного сигнала: импульса или пачки импульсов (как последовательности импульсов). То есть совокупность элементов устройства - генератор 3 синусоидальных сигналов, генератор 5 первого модулирующего колебания и первый смеситель 1 - представляют формирователь импульсного сигнала: импульса или пачки импульсов, подлежащих дальнейшему усилению.
То есть на выходе первого смесителя 1 будет наличествовать импульсный сигнал - смешанный (в частных случаях - суммированный) сигнал - результат смешивания (в частных случаях - сложения) синусоидального и первого модулирующего колебаний (см., например, сс.107-112, 384-386 в кн.: Каганов В.И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И.Каганов, В.К.Битюков. М.: Горячая линия - Телеком, 2007, 542 с.):
и
где u(t) - результирующий, модулированный сигнал (импульс, в частности радиоимпульс); m - уровень (глубина) модуляции, в данном случае: ,
или (при m≈1 или m>1), для уровня модуляции  с условием, m≤1:
1
0
1
0
0
1
При этом за счет использования различных частот настройки генератора 3 и генератора 5, обеспечивается разность (Ω-ω) (учитывая, что Ω<ω), рассматриваемая как модуль, что соответствует значению частоты (ω-Ω).
Полученный в результате первой модуляции сигнал - импульс (в частности, в составе пачки импульсов) или пачка импульсов с выхода первого смесителя 1 подается на первый вход 6 второго смесителя 7 (который может быть изготовлен аналогично первому смесителю 1, с учетом отличия используемых частот, что достигается использованием разных активных элементов, например транзисторов). На второй вход 8 второго смесителя 7 с выхода генератора 9 подается второе модулирующее колебание
м2
2
2
0
2
1
2
1
0
м2
м2
где U(t) - второе модулирующее колебание на частоте Ω, т.е. колебание, модулирующее импульс (с условием соответствия частот: Ω<ω, Ω<Ω или Ω<Ω<ω); U - амплитуда второго модулирующего колебания U(t).
Генератор 9 может быть изготовлен аналогично генераторам 3 и 5, с учетом указанного условия соответствия частот (что достигается использованием разных активных элементов, например транзисторов).
2
Во втором смесителе 7 модулированный сигнал (импульс или пачка импульсов) модулируется вторым модулирующим колебанием с частотой Ω.
На выходе второго смесителя 7 будет наличествовать модулированный сигнал - импульс (в частности, в составе модулированной пачки импульсов) или пачка импульсов, полученные в порядке смешивания (или в порядке сложения) колебаний (сигналов):
- в порядке смешивания:
2
0
2
1
- в порядке суммирования (при условиях Ω<ω, Ω>Ω):
В частном случае результирующий сигнал может иметь (в случае суммирования) форму
В целях уменьшения помех и искажений на краях временного промежутка (в который вписывается импульс (пачка импульсов), что соответствует длительности импульса (пачки импульсов)), колебание накачки (в данном случае, второе модулирующее колебание) подается с выхода генератора накачки 12 на вход усилителя 13. При этом параметры генератора 12 являются подстраиваемыми, для подстройки фазы второго модулирующего колебания (колебания накачки) для обеспечения синфазности колебания накачки и колебания (с их синхронизацией по времени), формируемого генератором 9, что позволяет производить управление характеристиками усиления импульса (пачки импульсов).
2
2
Генератор накачки 12 выполняется аналогично генератору второго модулирующего колебания 9. Усилитель 13 может быть выполнен по стандартной схеме усилителя синусоидального сигнала (для усиления колебания на частоте Ω), описанной, например, как усилитель низкой частоты или усилитель высокой частоты (в зависимости от значения частоты Ω), соответственно изложенному на сс.125-130 в кн.: Белов Л.А. Радиопередающие устройства / Л.А.Белов, М.В.Благовещенский, В.М.Богачев и др. / под ред. М.В.Благовещенского, Г.М.Уткина. М.: Радио и связь, 1982, 408 с.; сс.27-31 Бунин С.Г. Справочник радиолюбителя-коротковолновика / С.Г.Бунин, Л.П.Яйленко. К.: Технiка, 1984, 264 с.
м
Полученный сигнал u(t) с выхода второго смесителя 7 подается на первый вход 10 выходного блока 11.
На второй вход 14 выходного блока 11 подается усиленное второе модулирующее колебание с выхода усилителя 13.
2
Таким образом, в выходной блок 11 подаются сигналы, имеющие синхронизированные по времени (синфазные) составляющие (колебания) с частотой второго модулирующего колебания (Ω).
Выходной блок 11 в виде сумматора может быть выполнен, например, по схеме активного или пассивного сумматора (в частности, соответственно балансовым сумматорам, описанным на сс.10-181 в кн.: Бунин С.Г. Справочник радиолюбителя-коротковолновика / С.Г.Бунин, Л.П.Яйленко. К.: Технiка, 1984, 264 с.; на с.268 в кн.: Ленк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство / Дж.Ленк. М.: Мир, 1985, 343 с.).
Выходной блок 11 в виде перемножителя может быть выполнен по схеме перемножителя сигналов, описанной, например, на сс.156-171 в кн.: Клягин Л.Е. Радиопередающие устройства / Л.Е.Клягин, В.Б.Козырев, А.А.Ляховкин и др. / под ред. В.В.Шахгильдяна. М.: Связь, 1980. 328 с.; на сс.327-329 в кн.: Ленк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство / Дж.Ленк. М.: Мир, 1985, 343 с.
Применение сумматора или перемножителя в качестве выходного блока 11 рассматриваемого технического решения (устройства усиления импульсного сигнала) определяется конкретной решаемой технической и экономической задачами конструирования и проектирования - при определении требуемой амплитуды выходного сигнала, и экономических характеристик такого устройства, что связано с тем, что применение сумматора обеспечивает меньшее увеличение амплитуды результирующего сигнала, чем при применении перемножителя, но в сумматоре могут быть использованы пассивные компоненты. То есть использование в качестве выходного блока сумматора или перемножителя обеспечивает получение одного и того же технического результата - усиление импульсного сигнала (импульса или пачки импульсов).
Аналитически, описание суммирования (сложения) или перемножения (смешивания) сигналов (колебаний) в выходном блоке 11 аналогично выражениям (6) и (7).
2
м2
В результате суммирования или перемножения в выходном блоке 11 сигнала, полученного с выхода второго смесителя 7 и с выхода усилителя 13, получаем результирующий сигнал (импульс или пачку импульсов), имеющий увеличение амплитуды несущего колебания. То есть производится усиление амплитуды второго модулирующего колебания на частоте Ω, что приводит и к усилению амплитуды его высокочастотного заполнения, в том числе, и к усилению импульса (или импульса в составе пачки импульсов), или пачки импульсов, входящего в состав названного высокочастотного заполнения (что следует из анализа выражений (6), (7), (8), для случая увеличения амплитуды U).
Таким образом, на выходе устройства (выходе 15 выходного блока 11) будет наличествовать усиленный импульсный сигнал: импульс (в частности, в составе усиленной пачки импульсов) или пачка импульсов, что показано теоретически и доказано экспериментально.
2
1
о
В случае существования импульса в составе пачки импульсов следует указать, что пачка импульсов является условным понятием, определяемым как условная последовательность сформированных импульсов. Так как, при априори неизвестных параметрах и характеристиках, невозможно определить, какое место в такой последовательности занимает необходимый импульс (который требуется усилить), то, в известном устройстве, использовался метод усиления всей пачки импульсов, который реализовывался усилением каждого из импульсов в такой пачке (что является затруднительным при малой скважности и при широкополосности импульсов). В предлагаемом техническом решении осуществляется усиление именно требуемого импульса. Это обеспечивается выбором частот первого и второго модулирующих колебаний из условия Ω<Ω<ω. При этом лучший результат достигается в случае, если усиливаемый импульс (пачка импульсов, если неизвестно, какое место в пачке занимает усиливаемый импульс) вписывается в полупериод второго модулирующего колебания (с учетом вышеописанного разрешения вопроса о синфазности колебаний, используемых для усиления импульса (пачки импульсов)), что позволяет усиливать требуемый импульс (пачку импульсов) с минимизированием искажений, возникающих при его усилении на краях временного промежутка, занимаемого таким импульсом (пачкой импульсов). Дополнительное усиление других импульсов в составе той же пачки является еще одним преимуществом предлагаемого технического решения. То есть производится усиление всей пачки импульсов.
Таким образом, рассматриваемое устройство для усиления импульсного сигнала обеспечивает усиление импульса с априори неизвестными параметрами и характеристиками, как и при неизвестном положении в пачке импульсов. Так же усиливается пачка импульсов, с минимизацией возможных искажений на краях временного промежутка, в который вписывается усиливаемая пачка (длительность пачки импульсов). Кроме того, наличествует возможность управления параметрами усиления (вследствие подстройки параметров генератора накачки 12). Помимо этого в предлагаемом устройстве частотными характеристиками элементов устройства обеспечивается возможность усиления сверхкоротких импульсов (в том числе солитонов), а также пачки импульсов, следующих с большой частотой повторения (то есть с малой скважностью).