УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ
RADIO-FREQUENCY SIGNALS GENERATING AND TRANSMITTING DEVICE USING PULSE-WIDTH MODULATION

Предлагаемое изобретение относиться к радиоэлектронной технике и может быть использовано для формирования, усиления и передачи сигналов по каналам радиосвязи, в частности в телевизионном вещании и системах телекоммуникации.
Известно устройство [Patent US 2009/02270056 A1, Pub. Date: Oct. 29, 2009. Inventors: Peter Singerl, Andreas Wiesbauer. Modulation system and method for switched amplifiers. Int. Cl: H04B 1/04; H01Q 11/12] формирования и передачи радиочастотных сигналов с использованием широтно-импульсной модуляции, содержащее источник комплексного входного сигнала с двумя выходами, первый выход которого подключен к входу широтно-импульсного модулятора, а второй выход - к входу высокочастотного генератора, имеющему синфазный и квадратурный выходы. Выход широтно-импульсного модулятора подключен к сигнальным входам первого и второго перемножителей сигналов, опорные входы которых подключены соответственно к синфазному и квадратурному выходам высокочастотного квадратурного генератора гармонических сигналов. Выход каждого из перемножителей раздельно через последовательно соединенные высокочастотный усилитель мощности и согласующий комплексный фазосдвигающий фильтр подключен к одному из входов сумматора комплексных мощностей, выход которого через полосовой радиочастотный фильтр подключен к антенне.
Устройство работает следующим образом. В широтно-импульсном модуляторе сигнал, соответствующий текущему значению модуля комплексного входного сигнала, преобразуется в ширину импульсов и поступает на сигнальные входы двух перемножителей. На опорные входы первого и второго перемножителей поступают соответственно синфазный и квадратурный гармонические сигналы с выходов высокочастотного квадратурного генератора гармонических сигналов, сдвинутые по фазе на 90° и имеющие начальную фазу, равную фазе источника комплексного входного сигнала. Выходной сигнал каждого из перемножителей усиливают по мощности, пропускают через согласующий комплексный фазосдвигающий фильтр и подают в сумматор комплексных мощностей, где получают высокочастотный сигнал с комплексной огибающей, содержащей информацию о модуле и фазе комплексного входного сигнала. Выходной сигнал сумматора комплексных мощностей пропускают через полосовой радиочастотный фильтр, формирующий спектр выходного радиочастотного сигнала. Сигнал с выхода полосового радиочастотного фильтра поступает в антенну передатчика.
Однако указанное устройство имеет большую избыточность входящих в него узлов, к которым относятся второй высокочастотный усилитель мощности, два согласующих комплексных фазосдвигающих фильтра и сумматор комплексных мощностей. Кроме того, для обеспечения точного суммирования выходных мощностей высокочастотных усилителей в сумматоре комплексных мощностей требуется точная настройка комплексных фазосдвигающих фильтров. Вследствие нестабильности параметров элементов устройства, из-за старения и температурной нестабильности окружающей среды, время задержки сигналов в комплексных фазосдвигающих фильтрах, включенных в параллельных каналах, различается. Это приводит к нарушению временного согласования на входах комплексного сумматора мощностей и, следовательно, к нарушению точности суммирования мощностей в комплексном сумматоре мощностей. Наличие указанных выше недостатков снижает коэффициент полезного действия (КПД) и его стабильность в процессе эксплуатации, а наличие избыточных узлов приводит к повышению массы и габаритов этого устройства.
Известно также устройство формирования и передачи радиочастотных сигналов с использованием широтно-импульсной модуляции [Patent EP 2582039 A2, Pub. Date: 17.04.2013, Bulletin 2013/16. Inventors: Franz Die-lacher, Martin Matain, Christian Schuberth, Peter Singerl. System and method for generating a radio frequency pulse-width modulated signal. Int. Cl: H03F 1/02; H03F 3/60; H03F 7/217], наиболее близкое по техническому решению к предлагаемому изобретению (прототип). Это устройство содержит источник входного комплексного сигнала с двумя выходами, блок источников опорных линейно изменяющихся сигналов, имеющий не менее двух источников, блок преобразователей широтно-импульсной модуляции, имеющий не менее двух преобразователей, сигнальные входы которых объединены, а опорные входы подсоединены к выходам блока источников опорных линейно изменяющихся сигналов, высокочастотный квадратурный генератор гармонических сигналов с синфазным и квадратурным выходами, которые подключены соответственно к опорным входам первого и второго перемножителей сигналов, высокочастотный усилитель мощности, полосовой радиочастотный фильтр, выход которого подключен к антенне.
Устройство имеет избыточные узлы, к которым следует отнести как минимум второй высокочастотный усилитель мощности, два согласующих комплексных фазосдвигающих фильтра и сумматор комплексных мощностей. Наряду с этим, для достижения точного суммирования выходных сигналов высокочастотных усилителей мощности требуется точная настройка согласующих комплексных фазосдвигающих фильтров с сумматором комплексных мощностей. Однако вследствие нестабильности параметров элементов устройства, из-за старения и температурной нестабильности окружающей среды, синхронная работа устройства из-за различия времени задержки в параллельных каналах нарушается и мощность сигнала, подводимого к антенне, снижается. Совокупность указанных выше недостатков приводит к тому, что коэффициент полезного действия (КПД) устройства снижается и не является стабильным в течение времени эксплуатации. Наряду со снижением и недостаточной стабильностью КПД избыточные узлы повышают массу и габариты устройства.
Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства с большим и стабильным КПД и имеющим меньшие массу и габариты.
Решение этой задачи достигается тем, что в известное устройство формирования и передачи радиочастотных сигналов, содержащее источник входного комплексного сигнала с двумя выходами, блок источников опорных линейно изменяющихся сигналов, имеющий не менее двух источников, блок преобразователей широтно-импульсной модуляции, имеющий не менее двух преобразователей, сигнальные входы которых объединены, а опорные входы подсоединены к выходам блока источников опорных линейно изменяющихся сигналов, высокочастотный квадратурный генератор гармонических сигналов с синфазным и квадратурным выходами, которые подключены соответственно к опорным входам первого и второго перемножителей сигналов, высокочастотный усилитель мощности, полосовой радиочастотный фильтр, выход которого подключен к антенне, дополнительно введены два сумматора, два арифметических вычислителя и цифроаналоговый преобразователь. При этом источник входного комплексного сигнала своими первым и вторым выходами соединен соответственно с первым и вторым входами первого арифметического вычислителя, первый выход которого подсоединен к объединенным сигнальным входам блока преобразователей широтно-импульсной модуляции, а второй выход соединен со вторым входом второго арифметического вычислителя. Каждый из выходов блока преобразователей широтно-импульсной модуляции подключен соответственно к одному из входов первого сумматора, имеющего не менее двух входов. Выход первого сумматора соединен с первым входом второго арифметического вычислителя, первый и второй выходы которого подключены соответственно к сигнальным входам первого и второго перемножителей сигналов. Выходы первого и второго перемножителей сигналов соединены соответственно с первым и вторым входами второго сумматора, выход которого подключен к входу цифроаналогового преобразователя, соединенного своим выходом через высокочастотный усилитель мощности с входом полосового радиочастотного фильтра.
Также высокочастотный усилитель мощности может содержать усилитель Догерти, имеющий не менее двух активных и не менее одного закрытых состояний.
На чертеже приведена функциональная схема устройства формирования и передачи радиочастотных сигналов.
Устройство формирования и передачи радиочастотных сигналов с использованием широтно-импульсной модуляции содержит источник входного комплексного сигнала 1 с двумя выходами, которые подключены соответственно к первому и второму входам первого арифметического вычислителя (AB1) 2, блок источников опорных линейно изменяющихся сигналов (БИ Eоп) 3, имеющий не менее двух источников, блок преобразователей широтно-импульсной модуляции (ШИМ1…ШИМN) 4, имеющий не менее двух преобразователей, сигнальные входы которых объединены и подключены к первому выходу AB1. Опорные входы блока преобразователей ШИМ подсоединены к выходам блока источников опорных линейно изменяющихся сигналов БИ Eоп 3. Выходы блока преобразователей ШИМ 4 подключены ко входам первого сумматора 5, имеющего не менее двух входов. Выход первого сумматора 5 подключен к первому входу второго арифметического вычислителя (AB2) 6, второй вход которого соединен со вторым выходом первого арифметического вычислителя (AB1). Первый и второй выходы второго арифметического вычислителя AB2 подключены соответственно к первому 7 и второму 8 сигнальным входам соответственно перемножителей 9 и 10. К опорным входам 11 и 12 перемножителей 9 и 10 подключены соответственно синфазный и квадратурный выходы высокочастотного квадратурного генератора гармонических сигналов (ВЧКГС) 13. Выходы первого 9 и второго 10 перемножителей сигналов соединены соответственно с первым и вторым входами второго сумматора 14, выход которого подключен к входу цифроаналогового преобразователя 15, соединенного своим выходом через высокочастотный усилитель мощности 16 с входом полосового радиочастотного фильтра 17, выход которого подключен к антенне 18.
В предлагаемом устройстве использованы все общеизвестные блоки:
- блок источников опорных линейно изменяющихся сигналов 3 - это блок генераторов линейно изменяющихся треугольных напряжений (см., например, Алексеенко А.Г., Коломбет Ε.Α., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. - М.: Радио и связь, 1981. - 224 с., стр. 141-143);
- блок преобразователей широтно-импульсной модуляции 4 рассмотрен в патенте: Yamaha Corporation, Noro Masao; Tsuji Nobuaki 7 H03F 3/38, US 6778011 BB, выдан 17.08.2004 приоритет от 29.07.2002;
- высокочастотный усилитель мощности 16 может быть выполнен по схеме усилителя Догерти (см. Patent US 2009/0179702 A1, Pub. Date: Jul. 16. 2009. Inventor - Igor Blednov. Doherty amplifier. Int. Cl: H03F 1/07);
- арифметические сумматоры 5 и 14 и арифметические вычислители AB1 2 и AB2 6, цифровые перемножители 9 и 10, построенные на базе матричных умножителей (см. Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ. - М.: Высш. шк., 1987, с. 181-206;
- полосовые радиочастотные фильтры (см. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов. - Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 192 с.);
- высокочастотный квадратурный генератор гармонических сигналов (ВЧКГС) 13 (см. Ленк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство. Пер. с англ. – М.: Мир, 1985, - 343 с., рис. 9.21, стр. 291-293).
c
i
i
i
c
c
c
c
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Источник комплексного сигнала  1, где n - текущий индекс вектора комплексных сигналов , на первом и втором выходах формирует сигналы, содержащие информацию соответственно о действительном Re  и мнимом Im  компонентах комплексного сигнала . Эти сигналы поступают соответственно на первый и второй входы первого арифметического вычислителя (AB1) 2. Первый арифметический вычислитель 2 формирует отсчеты текущих значений модуля  и фазы ϕ источника комплексного сигнала , которые поступают соответственно на его первый и второй выходы. Блок источников опорных линейно изменяющихся сигналов (БИ Eоп) 3 содержит не менее двух источников. Он формирует дискретные линейно изменяющиеся напряжения Eоп с различными начальным и конечным уровнями. Каждое из напряжений Eопi поступает на соответствующий опорный вход блока преобразователей широтно-импульсной модуляции (БП ШИМ) 4. Здесь Eоп сравнивается с напряжением арифметического вычислителя AB1 на его первом выходе. Следовательно, на каждом из выходов БП ШИМ содержится определенный широтно-импульсный (ШИМ) сигнал Ew, где подиндекс i соответствует номеру преобразователя в БП ШИМ. Сигналы Ew поступают в первый сумматор 5, где производится их суммирование. В результате суммирования на выходе первого сумматора 5 имеется сигнал , содержащий информацию о  сигнала . Сигнал Ew с выхода первого сумматора поступает на первый вход второго арифметического вычислителя AB2 6, на второй вход которого поступает сигнал со второго выхода AB1, содержащий информацию о текущем значении фазы ϕc источника комплексного сигнала . На первом 7 и втором 8 выходах второго арифметического вычислителя 6 и, следовательно, на сигнальных входах перемножителей 9 и 10, имеются сигналы, содержащие соответственно информацию о текущих значениях действительного Ew⋅cosϕ и мнимого Ew⋅sinϕ компонентах, в которых сигнал Ew, содержит информацию о , а фаза ϕ - это фаза источника комплексного сигнала . На опорные входы 11 и 12 перемножителей 9 и 10 поступают соответственно синфазный и квадратурный сигналы с выходов высокочастотного квадратурного генератора гармонических сигналов (ВЧКГС) 13. Выходные высокочастотные сигналы перемножителей 9 и 10 содержат высокочастотные гармонические несущие, сдвинутые по фазе на 90°, соответственно с огибающими Ew⋅cosϕ и Ew⋅sinϕc. Выходные сигналы перемножителей 9 и 10 суммируются во втором сумматоре 14. В результате сложения на выходе второго сумматора 14 формируется высокочастотный сигнал с комплексной огибающей  и частотой, равной частоте высокочастотного генератора квадратурных гармонических сигналов 13. Сигнал с выхода второго сумматора 14 поступает в цифроаналоговый преобразователь 15, где он преобразуется в аналоговый сигнал, который усиливается в высокочастотном усилителе мощности 16. Усиленный по мощности высокочастотный сигнал с комплексной огибающей  проходит через полосовой радиочастотный фильтр 17, который формирует радиочастотный спектр сигнала. Вследствие этого на выходе полосового радиочастотного фильтра 17 имеется высокочастотный сигнал с комплексной огибающей . Сигнал с выхода полосового радиочастотного фильтра 17 подается в антенну 18 передающего устройства.
Исключение избыточных узлов и параллельных ветвей, содержащих высокочастотные усилители мощности, комплексные фазосдвигающие фильтры и сумматор комплексных мощностей, а также использование известных дополнительных элементов и новых связей между узлами, обеспечивают возрастание в предлагаемом устройстве общего КПД и большую его стабильность в течение длительного времени эксплуатации, а также снижение его массы и габаритов.
Для дальнейшего повышения КПД устройства высокочастотный усилитель мощности может содержать усилитель Догерти [Patent US 2009/0179702 A1, Pub. Date: Jul. 16. 2009. Inventor - Igor Blednov. Doherty amplifier. Int. Cl.: H03F 1/07], имеющий не менее двух активных и не менее одного закрытого состояний.
Кроме того, исключение дорогостоящих узлов, как минимум одного высокочастотного усилителя мощности, двух комплексных фазосдвигающих фильтров и сумматора комплексных мощностей, значительно снижает стоимость устройства.