ДЕМОДУЛЯТОР АМ И ЧТ СИГНАЛОВ
DEMODULATOR OF AM AND FT SIGNALS

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано в системах радиосвязи для организации одновременного приема на единый приемник амплитудно-модулированной (AM) телефонной информации и информации передачи данных (ЧТ) по двум различным каналам радиосвязи, настроенным на одну и ту же несущую частоту, как от различных радиостанций, так и от одной радиостанции, имеющей соответствующий модулятор.
Известны схемы демодуляторов сигналов с амплитудной модуляцией (AM), с частотной модуляцией (ЧМ, ЧТ), с фазовой модуляцией (ФМ, ФТ), а также с одновременной модуляцией нескольких параметров сигнала одним и тем же информационным сообщением [1].
Однако известные схемы [1] не позволяют одновременно осуществить демодуляцию нескольких (двух и более) сигналов, в которых содержатся разные сообщения.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является демодулятор AM и ЧТ сигналов [2], который выбран в качестве прототипа.
Основным недостатком прототипа является то, что он не позволяет осуществить демодуляцию сигналов в каналах с неизвестной и случайно изменяющейся начальной фазой сигналов AM и ЧТ, к которым относится большинство каналов радиосвязи.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение возможности одновременного приема телефонной информации с амплитудной модуляцией (AM) и передачи данных ЧТ по каналам радиосвязи, настроенным на одну и ту же несущую частоту, но с флуктуирующими начальными фазами принимаемых сигналов.
у
у
у
Указанный технический результат достигается тем, что в демодуляторе AM и ЧТ сигналов, содержащем восемь умножителей сигналов, два фильтра низких частот (ФНЧ), два усилителя с коэффициентом усиления К=2, два генератора синусоидальных колебаний, два фазовращателя, осуществляющих сдвиг начальных фаз, поступающих на их вход сигналов на 90°, интегратор, пороговое устройство и три сумматора, дополнительно введены третий генератор синусоидальных колебаний, четыре умножителя сигналов, один фазовращатель, осуществляющий сдвиг начальной фазы, поступающего на его вход сигнала на 90°, два сумматора сигналов и три фильтра низких частот (ФНЧ), причем вход первого ФНЧ соединен с выходом первого умножителя сигналов, первый вход которого соединен с первыми входами второго, третьего, четвертого, пятого и шестого умножителей сигналов и является входом устройства, а второй вход соединен с выходом первого фазовращателя, вход которого соединен с выходом первого генератора синусоидальных колебаний и с первым входом седьмого умножителя сигналов, выход которого соединен со вторым входом второго умножителя сигналов, выход которого соединен со входом второго ФНЧ, выход которого соединен со входом первого управляющего элемента, выход которого соединен со входом первого генератора синусоидальных колебаний, второй вход седьмого умножителя сигналов соединен с первым входом восьмого умножителя сигналов и с выходом первого усилителя с коэффициентом усиления К=2, выход которого является выходом устройства, на котором присутствует оценка амплитуды AM сигнала, вход первого усилителя соединен с выходом первого ФНЧ, второй вход восьмого умножителя сигналов соединен с выходом первого фазовращателя и со вторым входом первого умножителя сигналов, выход восьмого умножителя сигналов соединен со вторыми входами девятого и десятого умножителей сигналов, вторые входы которых соединены с выходами одиннадцатого и двенадцатого умножителей сигналов, выход девятого умножителя сигналов соединен со вторым входом первого сумматора сигналов, первый вход которого соединен с выходом четвертого умножителя сигналов, а выход соединен со входом третьего ФНЧ, выход которого соединен с первым входом второго сумматора сигналов, второй вход которого соединен с выходом четвертого ФНЧ, вход которого соединен с выходом третьего сумматора сигналов, второй вход которого соединен с выходом десятого умножителя сигналов, а первый вход с выходом пятого умножителя сигналов, второй вход которого соединен с выходом двенадцатого умножителя сигналов, вход которого соединен с выходом второго генератора синусоидальных колебаний и входом второго фазовращателя, вход второго генератора синусоидальных колебаний соединен с выходом второго управляющего элемента, вход которого соединен с выходом второго сумматора сигналов и с входом третьего управляющего элемента, выход которого соединен с входом третьего генератора синусоидальных колебаний, выход которого соединен с входом третьего фазовращателя и с первым входом одиннадцатого умножителя сигналов, выход которого соединен со вторым входом четвертого умножителя сигналов, выход второго и третьего фазовращателей сигналов соединен с первым и вторым входами четвертого сумматора сигналов, выход которого соединен со вторым входом третьего умножителя сигналов, выход которого соединен с входом пятого ФНЧ, выход которого соединен с входом второго усилителя с коэффициентом усиления К=2, выход которого соединен со вторыми входами одиннадцатого и двенадцатого умножителей сигналов, кроме того, выходы второго и третьего фазовращателей соединены с первым и вторым входами пятого сумматора сигналов, выход которого соединен со вторым входом шестого умножителя сигналов, выход которого соединен с входом интегратора, выход которого соединен с входом порогового устройства, выход которого является выходом демодулятора ЧТ сигнала.
При этом демодулятор AM и ЧТ сигналов структурно состоит из пяти каналов:
- канала оценки (демодуляции) AM сигнала;
- канала оценки (измерения) начальной случайной фазы AM сигнала;
- канала оценки (измерения) амплитуды сигнала ЧТ;
- канала оценки (измерения) начальной случайной фазы сигнала ЧТ;
- канала, демодуляции сигнала ЧТ.
На чертеже показана структурная схема заявляемого демодулятора.
у
Канал (оценки) демодуляции AM сигнала содержит первый умножитель сигналов 1, на первый вход которого одновременно приходит сумма AM и ЧТ модулированных сигналов от усилителя промежуточной частоты приемника, первый фильтр низких частот 2 (ФНЧ), первый усилитель 3 с коэффициентом усиления К=2, первый фазовращатель 4 и первый подстраиваемый генератор синусоидальных колебаний 9.
Канал оценки (измерения) начальной случайной фазы AM сигнала содержит второй умножитель сигналов 5, на первый вход которого одновременно приходит сумма AM и ЧТ модулированных сигналов от усилителя промежуточной частоты приемника, второй ФНЧ 6, первый управляющий элемент 7, седьмой умножитель сигналов 8 и первый подстраиваемый генератор синусоидальных колебаний 9.
у
Канал оценки (измерения) амплитуды сигнала ЧТ содержит третий умножитель сигналов 10, на первый вход которого одновременно приходит сумма AM и ЧТ модулированных сигналов от усилителя промежуточной частоты приемника, пятый ФНЧ 11, второй усилитель 12 с коэффициентом усиления К=2 и четвертый сумматор сигналов 13.
Канал оценки (измерения) начальной случайной фазы сигнала ЧТ содержит четвертый умножитель сигналов 14, на первый вход которого одновременно приходит сумма AM и ЧТ модулированных сигналов от усилителя промежуточной частоты приемника, первый сумматор сигналов 15, третий ФНЧ 16, одиннадцатый умножитель сигналов 17, девятый умножитель сигналов 18, восьмой умножитель сигналов 19, третий генератор синусоидальных колебаний 20, третий управляющий элемент 21, третий фазовращатель 22, второй сумматор сигналов 23, второй фазовращатель 24, второй генератор синусоидальных колебаний 25, второй управляющий элемент 26, двенадцатый умножитель сигналов 27, десятый умножитель сигналов 28, пятый умножитель сигналов 29, на первый вход которого одновременно приходит сумма AM и ЧТ модулированных сигналов от усилителя промежуточной частоты приемника, третий сумматор сигналов 30 и четвертый ФНЧ 31.
Канал, демодулирующий сигнал ЧТ, содержит шестой умножитель сигналов 33, на первый вход которого одновременно приходит сумма AM и ЧТ модулированных сигналов от усилителя промежуточной частоты приемника, интегратор 34, пороговое устройство 35, с выхода которого снимается полезная информация о сигнале ЧТ и пятый сумматор сигналов 32.
Устройство работает следующим образом.
1) В режиме демодуляции AM сигнала на первый вход умножителя сигналов 1 с выхода усилителя промежуточной частоты приемника поступает сигнал вида
Здесь:
AM
A - неизвестная амплитуда AM сигнала, несущая полезную информацию;
чт
А - неизвестная амплитуда сигнала ЧТ;
чт
A - промежуточная круговая частота сигнала, известная на приеме;
0
ω - случайная (неизвестная на приеме) начальная фаза AM сигнала;
1
φ - случайная (неизвестная на приеме) начальная фаза сигнала ЧТ;
±Δω - сдвиг (девиация) частоты ЧТ сигнала.
Пусть в сигнале (1) девиация частоты ЧТ сигнала +Δω.
На второй вход умножителя сигналов 1 поступает напряжение с фазовращателя сигнала 4 на 90°
Здесь:
- оценка (измеренное значение) начальной фазы сигнала AM, которое поступает из канала оценки (измерения) начальной случайной фазы сигнала AM
На выходе умножителя сигналов 1 тогда имеем
При высокой точности оценки начальной фазы сигнала AM, то есть при , на выходе ФНЧ 2, имеющем частоту среза много меньше Δω, получим
у
С выхода ФНЧ 2 напряжение (4) поступает на усилитель 3 с коэффициентом усиления К=2, где и производится оценка (демодулированное значение) AM сигнала , которое поступает на выход устройства.
Пусть теперь в сигнале (1) девиация частоты сигнала ЧТ - Δω.
На второй вход умножителя сигналов 1 также поступает напряжение (2).
На выходе умножителя сигналов 1 тогда имеем
При высокой точности оценки начальной фазы сигнала AM, to есть при , на выходе ФНЧ 2 с частотой среза, много меньшей Δω, будем иметь
у
С выхода ФНЧ 2 напряжение (6) поступает на усилитель 3 с коэффициентом усиления К=2, где также производится оценка (демодулированное значение) AM сигнала .
2) В режиме оценки (измерения) начальной фазы AM сигнала на первый вход умножителя сигналов 5 с выхода усилителя промежуточной частоты приемника также поступает сигнал вида (1).
На второй вход умножителя сигналов 5 поступает напряжение с умножителя сигналов 8 вида
Пусть девиация частоты в сигнале (1) +Δω, тогда сигнал на выходе умножителя сигналов 5 имеет вид
Этот сигнал поступает на вход ФНЧ 6, имеющий частоту среза много меньше Δω, поэтому на вход управляющего элемента 7 поступает управляющий сигнал
который подстраивает начальную фазу генератора 8 до тех пор, пока не станет .
Пусть девиация частоты в сигнале (1) - Δω, тогда сигнал на выходе умножителя сигналов 5 имеет вид
Этот сигнал поступает на вход ФНЧ 6, имеющего частоту среза много меньше Δω, поэтому на вход управляющего элемента 7 поступает управляющий сигнал
который подстраивает начальную фазу генератора 8 до тех пор, пока не станет .
3) В режиме оценки амплитуды сигнала ЧТ на первый вход умножителя сигналов 10 с выхода усилителя промежуточной частоты приемника поступает сигнал вида (1). Пусть девиация частоты ЧТ сигнала +Δω.
На второй вход умножителя сигналов 10 поступает напряжение с выхода сумматора сигналов 13
Тогда на выходе умножителя сигналов 10 и на входе ФНЧ 11 имеем
При высокой точности оценки начальной фазы сигнала ЧТ, то есть при , на выходе ФНЧ 11 с частотой среза, много меньшей Δω, будем иметь
Пусть теперь девиация частоты ЧТ сигнала -Δω.
На второй вход умножителя сигналов 10 поступает напряжение с сумматора сигналов 13
Тогда на выходе умножителя сигналов 10 и на входе ФНЧ 12 имеем
При высокой точности оценки начальной фазы сигнала ЧТ, то есть при , на выходе ФНЧ 11 с частотой среза, много меньшей Δω, будем иметь
у
Напряжения (14) или (17) поступают на вход усилителя 12 с коэффициентом усиления К=2, где производится оценка амплитуды сигнала ЧТ .
4) В режиме оценки начальной фазы сигнала ЧТ на первые входы умножителей сигналов 14 и 29 с выхода усилителя промежуточной частоты приемника поступает сигнал вида (1).
На второй вход умножителей сигналов 14 и 29 от умножителей сигналов 17 и 27 приходят соответственно сигналы с напряжениями
Здесь:
- оценка (измеренное значение) амплитуды сигнала ЧТ, значение которого определяется в канале оценки сигнала ЧТ;
- оценка начальной фазы сигнала ЧТ.
Рассмотрим случай, когда девиация частоты во входном сигнале (1) равна +Δω, тогда на выходе умножителя сигналов 14 и первом входе сумматора сигналов 15 имеем напряжение
В сумматоре сигналов 15 из напряжения (20) вычитается напряжение, равное первому слагаемому напряжения (20), которое образуется на выходе умножителя сигналов 18, поэтому на выходе сумматора сигналов 15 и на входе ФНЧ 16 имеем
Таким образом, на выходе ФНЧ 16, который должен иметь частоту среза много меньше чем 2Δω, имеем напряжение, поступающее на первый вход сумматора сигналов 23
Рассмотрим, какое напряжение поступает в этот момент на второй вход сумматора сигналов 23.
На первом входе умножителя сигналов 29 имеем также напряжение (1) с девиацией частоты +Δω.
На второй вход умножителя сигналов 29 поступает напряжение с выхода умножителя 27 вида (19).
Тогда на выходе умножителя сигналов 29 и первом входе сумматора сигналов 30 имеем напряжение
В сумматоре сигналов 30 из напряжения (23) вычитается напряжение, равное первому слагаемому напряжения (23), которое образуется на выходе умножителя сигналов 28, поэтому на выходе сумматора сигналов 30 и на входе ФНЧ 31 имеем
Таким образом, на выходе ФНЧ 31, который должен иметь частоту среза много меньше чем 2Δω, имеем напряжение, поступающее на второй вход сумматора сигналов 23
2
Таким образом, на выходе сумматора сигналов 23 имеем при воздействии на канал оценки начальной фазы сигнала ЧТ напряжение вида (22), которое воздействует на управляющие элементы 21 и 26, которые подстраивают фазы управляемых генераторов 20 и 25 до тех пор, пока  не станет равным φ.
16
Можно также показать, что при воздействии входного сигнала (1) с девиацией частоты -Δω произойдет то же самое, то есть на первом входе сумматора сигналов 23 будем иметь напряжение U=0, а на втором входе
Таким образом, в любой момент времени будет происходить подстройка начальных фаз подстраиваемых генераторов 20 и 25.
В случае если во входном сигнале (1) отсутствует сигнал ЧТ, то на выходах умножителей сигналов 17 и 27 будем иметь нулевые напряжения, и канал оценки начальной фазы сигнала работать не будет.
5) Рассмотрим работу устройства в режиме демодуляции сигналов ЧТ. На первый вход умножителя сигналов 33 также приходит сигнал вида (1). На второй его вход приходит сигнал с выхода сумматора сигналов 32 вида
Пусть девиация частоты в сигнале (1) +Δω, тогда сигнал на выходе умножителя сигналов 33 имеет вид
Это напряжение поступает на вход интегратора 34.
0
0
Первое, второе, третье, четвертое и пятое слагаемые выражения (11) изменяются во времени с частотой 2ωt, 2Δωt и Δωt. Поэтому эффект их интегрирования за время длительности элементарной посылки Т очень мал, и этими слагаемыми можно пренебречь.
При  на выходе интегратора будем иметь
Пусть теперь девиация частоты в сигнале (1) -Δω, тогда сигнал на выходе умножителя сигналов 33 имеет вид
Это напряжение поступает на вход интегратора 34.
0
0
Первое, второе, третье, четвертое и пятое слагаемые выражения (29) изменяются во времени с частотой 2ω, 2Δωt и Δωt. Поэтому эффект их интегрирования за время длительности элементарной посылки Т очень мал, и этими слагаемыми можно пренебречь.
При  на выходе интегратора будем иметь
34
С выхода интегратора 34 напряжение (28) или (30) поступает на вход порогового устройства 35, которое определяет U больше или меньше 0.
34
Если U>0, то принимается решение, что передавался «0».
34
Если U<0, то принимается решение, что передавалась «1».
Применение предлагаемого демодулятора в радиостанциях позволит осуществить одновременное ведение телефонных переговоров в режиме AM и передачи данных в режиме ЧТ в едином радиоканале.
Литература
1. В.И.Тихонов, Н.К.Кульман. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. Москва, «Советское радио», 1975 г.
2. Г.В.Кожухов. Демодулятор AM и ЧТ сигналов. Патент РФ на изобретение №2287217 (прототип).