ЧАСТОТНЫЙ МОДУЛЯТОР
FREQUENCY MODULATOR

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для формирования частотно-модулированных сигналов в сетях и системах связи, в различных радиотехнических устройствах.
Известен частотный модулятор, содержащий квантователь, запоминающее устройство, устройство сравнения, интегратор, источник отрицательного напряжения, счетчик и генератор функций Уолша (см. Хармут Х.Ф. Передача информации ортогональными функциями. - М.: Связь, 1975, с.130, рис.3.25).
Однако выходные сигналы, формируемые этим устройством, имеют большую эффективную ширину спектра, что приводит к низкой эффективности использования полосы частот.
n
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является частотный модулятор, содержащий источник опорного напряжения, интегратор со сбросом, блок сравнения, временной дискретизатор, запоминающий блок, счетчик, генератор функций Уолша, генератор прямоугольного колебания, коммутатор и перемножитель, причем временной дискретизатор и запоминающий блок соединены последовательно, а также последовательно соединены источник опорного напряжения, интегратор со сбросом, блок сравнения и генератор функций Уолша, выход блока сравнения подключен к входу счетчика, установочному входу интегратора со сбросом, тактовому входу генератора прямоугольного колебания, выход n-го (где N=2 - число элементов функции Уолша, формируемой генератором функций Уолша) разряда счетчика соединен с установочными входами временного дискретизатора и запоминающего блока, выход которого соединен с другим входом блока сравнения, первый вход коммутатора соединен с выходом генератора прямоугольного колебания, второй вход коммутатора соединен с выходом источника опорного напряжения, первый вход перемножителя соединен с выходом генератора функций Уолша, второй вход - с выходом коммутатора, управляющий вход которого соединен с выходом (n-1)-го разряда счетчика, при этом выход перемножителя является выходом устройства (см. авторское свидетельство СССР №1665530, кл. H04L 27/10, бюл. № 27 от 23.07.91).
Однако выходные сигналы, формируемые этим частотным модулятором, имеют сравнительно большую эффективную ширину спектра, что приводит к низкой эффективности использования полосы частот.
Целью изобретения является уменьшение эффективной ширины спектра выходных сигналов, что обеспечивает повышение эффективности использования полосы частот.
n
Поставленная цель достигается тем, что в известный частотный модулятор, содержащий источник опорного напряжения, интегратор со сбросом, блок сравнения, временной дискретизатор, запоминающий блок, счетчик, генератор функций Уолша и перемножитель, причем временной дискретизатор и запоминающий блок соединены последовательно, а также последовательно соединены источник опорного напряжения, интегратор со сбросом, блок сравнения и генератор функций Уолша, выход блока сравнения подключен к входу счетчика и установочному входу интегратора со сбросом, выход n-го (где N=2 - число элементов функции Уолша, формируемой генератором функций Уолша) разряда счетчика соединен с установочными входами временного дискретизатора и запоминающего блока, выход которого соединен с другим входом блока сравнения, первый вход перемножителя соединен с выходом генератора функций Уолша, а выход перемножителя является выходом частотного модулятора, введены генератор прямоугольных импульсов, элемент НЕ и переключатель, причем тактовый вход генератора прямоугольных импульсов подключен к выходу блока сравнения, выход генератора прямоугольных импульсов подключен к входу элемента НЕ и первому входу переключателя, второй вход которого подключен к выходу элемента НЕ, а выход соединен с вторым входом перемножителя.
На фиг.1 представлена структурная схема частотного модулятора, на фиг.2 - временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования выходного сигнала в предлагаемом частотном модуляторе, на фиг.3 - вид функций Уолша на выходе генератора 7 функций Уолша и вид сигналов на выходе предлагаемого частотного модулятора, на фиг.4 - вид сигналов на выходе прототипа.
Частотный модулятор содержит источник 1 опорного напряжения, интегратор 2 со сбросом, блок сравнения 3, временной дискретизатор 4, запоминающий блок 5, счетчик 6, генератор 7 функций Уолша, перемножитель 8, генератор 9 прямоугольных импульсов, элемент НЕ 10, переключатель 11.
Частотный модулятор работает следующим образом.
В исходном состоянии генератор 7 функций Уолша готов формировать функцию Уолша с поступлением импульсов на его тактовый вход. Генератор 9 перед началом работы модулятора устанавливается в исходное нулевое состояние подачей импульса на соответствующий вход.
n
n
В момент θ=0 дискретизатор 4 (фиг.2, б) производит отсчет значения сигнала, поступающего на вход частотного модулятора (фиг.2, а). Полученное напряжение запоминается в запоминающем блоке 5 (фиг.2, в). На выходе интегратора 2 (фиг.2, г) формируется линейно нарастающее напряжение. Блок сравнения 3 (фиг.2, д) сравнивает это напряжение с напряжением на выходе запоминающего блока 5 и возвращает интегратор 2 в исходное состояние, когда напряжения оказываются одинаковыми. В результате на выходе интегратора 2 формируется пилообразное напряжение. Амплитуда и длительность зубцов этой пилы пропорциональны напряжению на выходе запоминающего блока 5. С выхода блока сравнения 3 импульсы, которые возвращают интегратор 2 в исходное состояние, подаются также на вход счетчика 6. На n-м выходе счетчика (фиг.2, е) (где N=2 - число элементов функции Уолша, формируемой генератором 7 функций Уолша) появляется импульс, если из блока сравнения 3 получено 2 импульсов. Этот импульс возвращает запоминающий блок в исходное состояние и записывает с помощью дискретизатора 4 отсчет значений сигнала. При этом расстояние между точками отсчетов зависит от величины значений сигнала в моменты отсчетов. После выработки этого импульса счетчик возвращается в исходное состояние, когда все разряды счетчика обнулены.
Импульсы с выхода устройства 3 сравнения поступают также на тактовый вход генератора 7 функций Уолша, на выходе которого формируется определенная функция Уолша (фиг.2, ж), поступающая на первый вход перемножителя 8.
Импульсы с выхода блока сравнения 3 поступают также на тактовый вход генератора 9 прямоугольных импульсов.
В качестве генератора 9 прямоугольных импульсов может использоваться обычный триггер со счетным входом, управляемый импульсными сигналами. Такой триггер меняет свое состояние на противоположное при поступлении на его счетный вход очередного импульса. То есть при поступлении первого импульса на счетный вход триггера происходит его установка в «1» и на его выходе начинает формироваться прямоугольный импульс (см. фиг.2, з). При поступлении второго импульса на счетный вход триггера происходит его установка в «0», т.е. формирование прямоугольного импульса на выходе триггера заканчивается. При поступлении третьего импульса на счетный вход триггера на его выходе снова начинает формироваться прямоугольный импульс и так далее. В результате этого длительность прямоугольных импульсов оказывается равной длительности элементов функции Уолша Δt.
n
n
n
Работа счетчика 6 и генератора 7 функций Уолша является синхронной потому, что на счетный вход счетчика 6 и тактовый вход генератора 7 функций Уолша поступают импульсы с выхода блока 3 сравнения (см. фиг.2, д). Импульс на выходе счетчика 6 появляется при поступлении на его вход 2 импульсов с выхода блока 3 сравнения. Так как каждая функция Уолша состоит из 2 элементов, то в течение времени поступления этих 2 импульсов с выхода блока 3 сравнения на выходе генератора 7 функции Уолша будет сформирована полностью соответствующая функция Уолша и генератор снова будет готов к формированию. При поступлении на его тактовый вход следующих импульсов с выхода блока 3 сравнения на выходе генератора 7 формируется функция Уолша.
Импульсы с выхода генератора 9 прямоугольных импульсов поступают на вход элемента НЕ, на выходе которого формируется последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых также равна длительности элементов функции Уолша Δt (см. фиг.2, и).
Импульсы с выхода генератора 9 прямоугольных импульсов поступают на первый вход переключателя 11, а импульсы с выхода элемента НЕ 10 поступают на второй вход переключателя 11. Управление переключателем 11 осуществляется до начала работы частотного модулятора. Это может быть осуществлено вручную человеком-оператором. При этом необходимо подчеркнуть, что в течение всего сеанса связи генератор 7 функций Уолша периодически формирует только одну функцию Уолша.
n-1
Если генератор 7 функций Уолша формирует функцию Уолша с порядковым номером 0,…,2-1, то перед началом работы частотного модулятора оператор устанавливает переключатель 11 в левое положение (то есть осуществляет коммутацию выхода переключателя с его первым входом, иначе говоря, соединяет второй вход перемножителя 8 с выходом генератора 9 прямоугольных импульсов).
n-1
n
Если генератор 7 функций Уолша формирует функцию Уолша с порядковым номером 2,…, 2-1, то перед началом работы частотного модулятора оператор устанавливает переключатель 11 в правое положение (то есть осуществляет коммутацию выхода переключателя с его вторым входом, иначе говоря, соединяет второй вход перемножителя 8 с выходом элемента НЕ 10). На фиг.1 переключатель 11 установлен так, как описано во втором случае.
n-1
В случае если на выходе генератора 7 функций Уолша формируется функция Уолша с порядковым номером 0,…,2-1 (например, для N=8 - функция с одним из порядковых номеров 0; 1; 2; 3), то перед началом работы частотного модулятора выход переключателя 11 коммутируется с его первым входом. В результате импульсы с выхода генератора 9 прямоугольных импульсов (фиг.2, з) поступают на второй вход перемножителя 8, на выходе которого будут формироваться только нечетные импульсы функции Уолша, поступающей на первый вход перемножителя 8.
n-1
n
В случае если на выходе генератора 7 функций Уолша формируется функция Уолша с порядковым номером 2,…, 2-1 (например, для N=8 -функция с одним из порядковых номеров 4; 5; 6; 7), то перед началом работы частотного модулятора выход переключателя 11 коммутируется с его вторым входом. В результате импульсы с выхода элемента НЕ 10 (фиг.2, и) поступают на второй вход перемножителя 8, на выходе которого будут формироваться только четные импульсы функции Уолша, поступающей па первый вход перемножителя 8.
j
В результате в течение периода времени θ, где j - порядковый номер интервала ортогональности, на выходе перемножителя 8 формируется частотно-модулированный выходной сигнал (фиг.2, й).
На фиг.2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования выходного сигнала в предлагаемом частотном модуляторе. На фиг.3 представлен вид функций Уолша на выходе генератора 7 функции Уолша с длительностью элементов Δt, на фиг.3 приведен также вид сигналов на выходе предлагаемого частотного модулятора, на фиг.4 - вид сигнала на выходе прототипа при одинаковой частоте импульсов, поступающих с выхода устройства сравнения 3 на вход генератора 7 функций Уолша в предлагаемом частотном модуляторе и прототипе.
Система выходных сигналов, формируемая предлагаемым частотным модулятором (фиг.3), как и система выходных сигналов, формируемая прототипом (фиг.4), является ортогональной, в чем легко убедиться путем перемножения двух сигналов, входящих в одну систему, и интегрирования результата перемножения за время длительности сигналов.
сист
сист
сист
макс
Если все спектры сигналов, входящих в систему, имеют одинаковую ширину и занимают одну и ту же полосу частот, то F=F (где F - ширина полосы частот, занимаемая системой сигналов, F - ширина спектра одиночного сигнала). При различной ширине спектров F=F - максимальной ширине спектра (см. Варакин Л.Е. Теория систем сигналов. - М.: Советское радио, 1978, с. 11).
μ эфф
Эффективная ширина спектра W широкополосного сигнала определяется по формуле:
где Δt - длительность элементов сигнала, µ - число блоков сигнала, N - число элементов сигнала (см. Варакин Л.Е. Теория систем сигналов. - М.: Советское радио, 1978, с. 208, соотношение 11.11).
При этом блок - последовательность элементов, имеющих фазу 0 или π, то есть последовательность положительных или отрицательных элементов сигнала (см. Варакин Л.Е. Теория систем сигналов. - М.: Советское радио, 1978, с.177, первая строка).
В прототипе (см. авторское свидетельство СССР №1665530, кл. H04L 27/10, бюл. №27 от 23.07.91) формируются выходные сигналы, имеющие количество блоков:
или
и значение наибольшей эффективной ширины спектра выходного сигнала определяется из соотношения (1) с учетом  (см. фиг.4).
В предлагаемом частотном модуляторе все выходные сигналы имеют одинаковое количество блоков:
и значение наибольшей эффективной ширины спектра выходного сигнала
определяется из соотношения (1) с учетом  (фиг.3).
Значения максимальной эффективной ширины спектра выходных сигналов, формируемых аналогом (см. Хармут Х.Ф. Передача информации ортогональными функциями. - М.: Связь, 1975, с.180, рис.3.25), формируемых прототипом (см. авторское свидетельство СССР №1665530, кл. H04L 27/10, бюл. №27 от 23.07.91) и формируемых предлагаемым частотным модулятором представлены в таблице.
Число элементов сигнала
4
8
16
32
64
Выходные сигналы
Максимальная эффективная ширина спектра для выходных сигналов
Формируемые аналогом
10,583
21,909
44,54
89,8
180,31
Формируемые прототипом
8,944
16,94
32,985
64,992
128,996
Формируемые предлагаемым частотным модулятором
7,483
15,491
31,496
63,498
127,499
По результатам таблицы можно сделать вывод о том, что эффективная ширина спектра выходных сигналов, формируемых предлагаемым модулятором, значительно меньше, чем у сигналов, формируемых аналогом и прототипом. В частности, ширина спектра выходных сигналов, формируемых предлагаемым частотным модулятором меньше, чем у формируемых аналогом, на 29,29% для сигналов с любым числом элементов N, и меньше, чем у формируемых прототипом, на 16,33% - для N=4, на 8,71% - для N=8, на 4,51% - для N=16 и т.д.
Использование изобретения позволяет создавать частотные модуляторы, обеспечивающие уменьшение ширины спектра выходных сигналов, что повышает эффективность использования полосы частот.