ФОРМИРОВАТЕЛЬ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использовано в системах связи, измерительной технике, гидролокации и радиолокации, в аппаратуре формирования прецизионных, радиосигналов сверхвысоких частот (СВЧ) и крайне высоких частот (КВЧ).
Из патентной литературы известен «Формирователь частотно-модулированных сигналов» (а.с. №1483588, опубл. 30.05.89), содержащий последовательно соединенные автогенератор, к первому и второму управляющим входам которого подключены соответственно выходы управляющего элемента и частотного модулятора, и делитель частоты, последовательно соединенные эталонный генератор и фазовый детектор, а также амплитудный селектор, при этом вход частотного модулятора является входом модулирующего сигнала, а выход автогенератора - выходом формирователя частотно-модулированных сигналов, а также синхронизатор, сигнальный вход которого соединен с выходом эталонного генератора, управляющий вход - с выходом амплитудного селектора, а первый выход - с установочным входом делителя частоты, и блок слежения за фазой информационный вход которого соединен с выходом фазового детектора, управляющего элемента, при этом вход амплитудного селектора соединен с входом частотного модулятора, а выход делителя частоты соединен со вторым входом фазового детектора.
Недостатком данного устройства является ограничение по радиочастотному диапазону его применения и сложность реализации в диапазоне СВЧ из-за наличия в нем синхронизатора и блока слежения за фазой, содержащего два ключа, два блока запоминания, блок интегрирования и инвертор.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является «Формирователь частотно-модулированных сигналов» (а.с. №1506508, опубл. 07.09.89), содержащий последовательно соединенные сумматор напряжений и управляемый генератор, последовательно соединенные синхронизатор, счетчик и первый блок памяти, генератор интерполирующего напряжения и прецизионный функциональный преобразователь, содержащий усилитель, на входе и первом выходе которого включены соответственно приемок и источник светового излучения, первый и второй световоды и дефлектор, при этом первый световод
по входу оптически сопряжен с источником светового излучения, а по выходу - с дефлектором, второй световод по входу оптически сопряжен с дефлектором, а по выходу - с приемником светового излучения, второй вход счетчика объединен с первым входом генератора интерполирующего напряжения и подключен ко второму выходу синхронизатора, вход и выход второго блока памяти подключены соответственно  счетчика и к первому входу сумматора, выход управляемого генератора соединен с входом дефлектора, а второй выход усилителя является выходом формирователя частотно-модулированного сигнала, при этом выход первого блока памяти подключен ко второму входу генератора интерполирующего напряжения, выход которого подключен ко второму входу сумматора.
Недостатком данного устройства является то, что функциональный преобразователь не выполняет функции по регистрации и управлению фазовыми шумами, поэтому данное устройство имеет недостаточную точность формирования частотно-модулированных сигналов.
Технической задачей, решаемой предлагаемой полезной модели, является повышение точности формирования частотно-модулированных сигналов за счет снижения уровня фазовых шумов.
Поставленная задача решается за счет того, что в формирователь частотно-модулированных сигналов, содержащий генератор и функциональный преобразователь, состоящий из дефлектора, имеющего два входа и один выход, приемника, усилителя, имеющего один вход и два выхода, источника излучения, включенного во первый выход усилителя, двух световодов, при этом один из них по выходу оптически сопряжен с приемником, другой световод по входу оптически сопряжен с источником излучения, а по выходу - дефлектором, дополнительно введены световод, по входу оптически сопряженный с дефлектором, направленный ответвитель, имеющий один вход и два выхода и расположенный между дефлектором и приемником и оптически сопряженный по входу и по первому выходу со световодами, фильтр, включенный во вход усилителя, фазовращатель, имеющий два входа и один выход и расположенный между приемником и фильтром, и фазовый дискриминатор, включенный входом во второй выход направленного ответвителя, а выходом - во второй вход фазовращателя.
На фиг.1 изображена функциональная схема формирователя частотно-модулированных сигналов.
Формирователь частотно-модулированных сигналов состоит из генератора 1, функционального преобразователя 2, например, прецизионного и фазового дискриминатора 3.
Функциональный преобразователь 2 содержит последовательно соединенные дефлектор 4, первый световод 5, направленный ответвитель 6, второй световод 7, приемник 8, фазовращатель 9, фильтр 10, усилитель 11, источник излучения 12, третий световод 13.
Источник излучения 12 состоит из модулятора 14 и оптического источника 15.
Описание входов и выходов устройства.
Дефлектор 4 имеет два входа и один выход.
Направленный ответвитель 6 имеет один вход и два выхода.
Приемник 8 имеет вход и выход.
Фазовращатель 9 имеет два входа и один выход.
Фильтр 10 имеет вход и выход.
Усилитель 11 имеет один вход и два выхода.
Источник 12 имеет один вход и один выход.
Модулятор 14 имеет два входа и один выход.
Оптический источник 15 имеет выход.
Связи контактов и блоков заявляемого устройства.
Генератор 1 подсоединен к первому входу дефлектора 4, выход которого оптически сопряжен с первым световодом 5, связанным с направленным ответвителем 6.
Направленный ответвитель 6 по входу оптически сопряжен с первым световодом 5 и жестко связан по первому выходу со вторым световодом 7, который, в свою очередь, оптически связан с приемником 8.
Приемник 8 оптически связан со вторым световодом 7, выходом подключен к первому входу фазовращателя 9.
Фильтр 10 входом соединен с выходом фазовращателя 9, выходом - с усилителем 11.
Усилитель 11 имеет два выхода, второй выход является выходом функционального преобразователя 2.
Источник излучения 12 подключен к первому выходу усилителя 11 и оптически связан с третьим световодом 13, выход которого соединен со вторым
входом дефлектора 4, при этом первый вход модулятора 14 является входом источника излучения 15, второй вход связан с оптическим источником 15, а его выход является выходом источника излучения 12.
Второй выход направленного ответвителя 6 оптически связан с фазовым дискриминатором 3.
Выход фазового дискриминатора подключен ко второму входу фазовращателя 9.
Функциональное назначение узлов заявляемого устройства.
Функциональный преобразователь 2, например, прецизионный построен по принципу оптоэлектронного автогенератора с волоконно-оптической линией задержки, содержащего усилитель и цепь обратной связи.
Усилителем в функциональном преобразователе 2 является усилитель 11, который необходим для компенсации затухания сигнала в цепи обратной связи, то есть для обеспечения баланса амплитуд сигнала в функциональном преобразователе 2.
В цепь обратной связи функционального преобразователя 2 входят последовательно соединенные дефлектор 4, первый световод 5, направленный ответвитель 6, второй световод 7, приемник 8, фазовращатель 9, фильтр 10, усилитель 11, источник 12, третий световод 13, при с, том источник 12 содержит модулятор 14 и оптический источник 15.
Фильтр 10 вводится для улучшения подавления фазовых шумов.
Направленный ответвитель 6 введен для подключения к функциональному преобразователю 2 фазового дискриминатора 3.
Для уменьшения уровня фазовых шумов вводится цепь выделения, регистрации и управления фазовыми шумами, которая работает по принципу фазовой автоподстройки.
Цепь регистрации и управления фазой сигнала выполняется на базе фазового дикриминатора 3 и фазовращателя 9.
Фазовый дискриминатор 3 выполняет функции выделения, регистрации фазовых шумов сигнала и преобразования сигнала фазовых шумов в электрический сигнал управления.
Регистрация сигнала фазовых шумов осуществляется в фазовом дискриминаторе 3.
Фазовращатель 9 выполняет функцию управления фазовыми шумами в функциональном преобразователе 2.
Реализация устройств.
Генератор 1 может быть выполнен, например, по схеме генератора на поверхостных акустических волнах («Проблемы современной радиотехники и электроники», под ред. Котельникова В.А., Москва, Наука, 1980 г., стр.342-345) или схеме LC-генератора (Г.А.Кардашев «Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств.», Москва, Горячая линия - Телеком, 2002 г., стр.143-145, 171-173).
Дефлектор 4 реализован, например, в виде кристалла ТеО2, в котором возбуждается продольная волна с помощью пьезоэлектрического возбудителя, выполненного на основе ниобата лития (Н.А.Семенов, «Оптические кабели связи. Теория и расчет», Москва, Радио и связь, 1981 г., стр.300-303).
Первый световод 5, второй световод 7.третий световод 13 могут быть, например, реализованы на основе кварцевых одномодовых световодов (Н.А.Семенов, «Оптические кабели связи. Теория и расчет», Москва, Радио и связь, 1981 г. стр.12-15).
Первый направленный ответвитель 6 могут быть реализованы, например, на базе направленного одномодового ответвителя (О.К.Скляров «Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы», Солон - Р, Москва, 2001 г., стр.194).
Приемник 8, может быть реализован, например, на основе высокочувствительных фотодиодов («Волоконно-оптическая техника: История, достижения, перспективы», под ред. Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. АО «Волоконно-оптическая техника», Москва, 2000 г., стр.241).
Усилитель 11 может быть реализованы, например, на базе узкополосных усилителей с транзисторными каскадами с общей базой с использованием биполярных транзисторов (Г.А.Кардашев «Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств.», Москва, Горячая линия - Телеком, 2002 г., стр.143-145).
Фазовращатель 9 может быть, например, реализованы на основе электронных ферритовых фазовращателей (Справочник по радиолокации, т.2, под ред. Сколник М., Москва, Советское радио, 1977 г., стр.47).
Фильтр 10 может быть, например, реализован на основе полосковой линии передачи (Справочник по радиолокации, т.2, под ред. Сколник М., Москва, Советское радио, 1977 г., стр.20).
Источник 12, может быть, например, реализован на базе лазерного диода и модулятора из ниобата лития («Волоконно-оптическая техника: История, достижения, перспективы», под ред. Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. АО «Волоконно-оптическая техника», Москва, 2000 г., стр.74).
Модулятор 14 может быть, например, реализован на базе электрооптического модулятора на базе кристалла ниобата лития («Волоконно-оптическая техника: История, достижения, перспективы», под ред. Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. АО «Волоконно-оптическая техника», Москва, 2000 г., стр.139-140).
Оптический источник 15 может быть, например, реализован на базе полупроводникового лазерного диода («Волоконно-оптическая техника: История, достижения, перспективы», под ред. Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. АО «Волоконно-оптическая техника», Москва, 2000 г., стр.74).
Фазовый дискриминатор 3 может быть реализован на последовательно соединенных фотоприемнике ((«Волоконно-оптическая техника: История, достижения, перспективы», под ред. Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. АО «Волоконно-оптическая техника», Москва, 2000 г., стр.241) и блоке фазовой автоподстройки («Генераторы высоких и сверхвысоких частот: Учебное пособие». О.В.Алексеев, А.А.Головков, А.В.Митрофанов и др., Высшая школа, Москва, 2003 г. стр195-199.).
Формирователь частотно-модулированных сигналов работает следующим образом.
1
На выходе генератора 1 вырабатывается напряжение U(t), которое поступает на первый вход дефлектора 4. Это напряжение вызывает изменение задержки T(t) сигнала светового излучения, проходящего через дефлектор 4 от источника 12 через третий световод 13.
0
0
При постоянном напряжении U(t)=U генератора 1 на втором выходе усилителя 11, то есть на выходе функционального преобразователя 2, формируется электрические радиочастотные колебания с частотой f.
Изменение напряжения генератора 1 во времени U(t) приводит к изменению частоты колебания f(t) функционального преобразователя 2 на втором выходе усилителя 11.
Функция изменения частоты от времени f(t) полностью определяется типом дефлектора 4.
0
0
При выполнении баланса амплитуд и фаз в таком функциональном преобразователе 2, то есть на втором выходе усилителя 11 формируются электрические радиочастотные колебания, частота f которых определяется общей задержкой Т сигнала в его цепи обратной связи.
0
0
F=m/T,
где m - номер типа колебания, m=1, 2, 3...
1
1
1
0
1
1
1
1
В свою очередь задержка в цепи обратной связи зависит от задержки T в дефлекторе 4. Изменение задержки в дефлекторе 4 от времени T=T(t) при модуляции напряжения U(t), поступающего на его вход от генератора 1, производит изменение частоты f(t)=f+f(t), где f(t) - изменения частоты за счет изменений задержки T=T(t) в дефлекторе 4 от времени t, то есть частоты колебаний на втором выходе первого усилителя 16. Таким образом, задаваясь законом изменения напряжения U(t) генератора 1 после функционального преобразования на втором выходе усилителя 11 получают заданное частотно-модулированное колебание с частотой f(t) и для нее справедливо выражение
0
1
f(t)=m/(T+T(U(t))),
где m=1, 2, 3...
0
При этом частота модуляции изменений колебаний напряжения намного меньше средней собственной частоты f функционального преобразователя 2.
В процессе формирования радиочастотных колебаний в схеме функционального преобразователя 2 из-за шумов устройств, входящих в его состав, возникают фазовые шумы сигнала.
Выделение и регистрация сигнала фазовых шумов осуществляется в фазовом дискриминаторе 3 по схеме фазовой автоподстройки частоты.
На выходе фазового дискриминатора 3 формируется сигнал управления. Сигнал управления пропорционален по своему мгновенному значению фазе сигнала шумов. Данный сигнал управления поступает на второй вход фазовращателя 9.
Фазовращатель 9 задерживает фазу поступающего на его первый вход сигнала так, чтобы на его выходе происходила компенсация регистрируемого разностного фазового набега фазовым дискриминатором 3. Таким образом, происходит компенсация и снижение фазовых шумов в функциональном преобразователе 2, за счет чего улучшается точность формирования частотно-модулированных сигналов. Уровень снижения фазовых шумов определяется уровнем выравнивания по амплитуде сигналов фазовых шумов в цепях
выделения фазовых шумов и цепи формирования сигнала управления, то есть в цепях, образованных элементами фазового дискриминатора 3. В результате испытаний установлено, что уровень снижения фазовых шумов составляет более 5 Дб.
Таким образом, можно утверждать, поставленная задача - повышение точности формирования частотно-модулированных сигналов за счет снижения уровня фазовых шумов, решена.