Частотный модулятор/демодулятор на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки частоты

Предлагаемая полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для формирования частотно-модулированных сигналов, их демодуляции, синтеза частот с равномерным шагом сетки формируемых частот.
В радиосвязи, зачастую используются частотно-модулированные (ЧМ) сигналы. При этом устройства формирования ЧМ сигналов должны обладать комплексом качественных характеристик:
- высокой стабильностью несущей частоты;
- широкой полосой модулирующих частот;
- малым уровнем нелинейных искажений закона ЧМ модуляции;
- малой сопутствующей амплитудной модуляцией;
- малым уровнем спектральной плотности мощности фазовых флуктуаций.
-3
-4
Известны простые способы формирования частотной модуляции в радиоприемниках КВ и УКВ диапазона путем прямого воздействия на частоту колебаний автогенератора, однако такой метод не позволяет получить постоянное значение девиации при изменении частоты генерируемых колебаний. Попытки устранить этот недостаток, приводят к усложнению модулятора. Также, параметрический LC-автогенератор имеет даже в автономном режиме большую величину нестабильности средней частоты (порядка 10-10) [1].
Достаточно высокую стабильность частоты можно достигнуть при косвенном методе ЧМ с использованием управляемых цифровых делителей частоты при неизменных параметрах опорного генератора (ОГ) [2]. При этом способе сигнал с ОГ поступает на делитель частоты с переменных коэффициентом деления (ДПКД) и ЧМ достигается путем изменения коэффициента деления ДПКД по закону модулирующего сигнала. Однако при целочисленных значениях коэффициента деления ДПКД невозможно сформировать равномерный шаг сетки частот и, следовательно, линейность модуляционной характеристики. Также при таком методе ЧМ в момент смены коэффициента возникает разрыв фазы сигнала, что приводит к ухудшению чистоты спектра ЧМ сигнала. Вышеуказанные недостатки устраняются введением петли импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) с делителем частоты с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДПКД) [3].
-6
Формирование ЧМ сигналов с помощью цифровых синтезаторов частот с системой ИФАПЧ довольно широко известно в литературе [2, 3, 4, 5.]. Использование относительно простых одноточечных методов формирования ЧМ для относительно узкополосных модулирующих сигналов (до 100 кГц) позволяют получить высокостабильные по отношению к средней частоте (порядка 10) модуляторы, использование ДДПКД при косвенных методах формирования ЧМ обеспечивает заданную девиацию в широком диапазоне генерируемых частот.
Полоса пропускания петлевого ФНЧ в данном случае должна соответствовать ширине спектра модулирующего сигнала. При использовании модулятора, как для речевых сигналов, так и для двоичных сигналов, с определенной символьной скоростью передачи (так называемых телеграфных), частота среза ФНЧ определяется соответствующей второму виду сигналов, как имеющему большую (в 2-3 раза, в зависимости от требуемой символьной скорости) ширину спектра по сравнению с первым. В итоге при передаче речевого сигнала на выходе модулятора получаем повышенный уровень побочных спектральных составляющих.
При отсутствии модулирующего сигнала, возможно использование устройства в качестве гетеродина и в таком случае, при выборе частоты среза петлевого ФНЧ возникает противоречие между быстродействием системы и чистотой спектра выходного сигнала.
Указанный недостаток имеют аналогичные устройства, описанные в патенте № 6011815 (США) Н04 L 25/49, авторском свидетельстве № 869068 (СССР) H03 7/18.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому выбрано устройство формирования ЧМ сигналов, реализующее косвенный одноточечный метод формирования ЧМ сигналов на синтезаторе частот, функциональная схема которого изображена рис. 1.9б на стр. 25 в книге [1], принятый за прототип.
Функциональная схема устройства-прототипа представлена на фиг. 1, где обозначено:
1 – опорный генератор (ОГ);
3 – делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
4 – импульсно-фазовый детектор (ИФД);
6 – фильтр нижних частот (ФНЧ);
9 – генератор, управляемый напряжением (ГУН);
10 – делитель частоты с дробным переменным коэффициентом деления (ДДПКД);
11 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные опорный генератор (ОГ) 1, делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) 3, импульсно-фазовый детектор (ИФД) 4, фильтр нижних частот (ФНЧ) 6, генератор, управляемый напряжением (ГУН) 9, выход которого соединен с входом делителя частоты с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДПКД) 10, выход которого соединен со вторым входом ИФД 4. Управляющий вход блока ДДПКД 10 соединен с выходом блока аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 10, вход которого является входом модулятора. Выход ГУН 9 является выходом модулятора. Второй вход ДФКД 3 соединен с выходом управляющего устройства (УУ) (на фиг. 1 не показан).
Устройство-прототип работает следующим образом.
Выходной сигнал блока ОГ 1, проходя через блок ДФКД 3, коэффициент деления которого задается подачей управляющего сигнала на соответствующий вход с выхода УУ, поступает на первый вход блока ИФД 4. На второй вход блока ИФД 4 через блок ДДПКД 10 подается сигнал с выхода блока ГУН 9. На вход блока ГУН 9 через ФНЧ 6 подается сигнал ошибки с выхода ИФД 4. Модуляция осуществляется за счет подачи сигналов с выхода блока АЦП 11, формирующихся согласно закону модулирующего сигнала, на управляющий вход блока ДДПКД 10, что приводит к разности частот сигналов, поступающих на входы ИФД 4, и появлению сигнала ошибки на его выходе. Сигнал ошибки, пропорциональный модулирующему сигналу, поступает на вход блока ГУН 9, на выходе которого формируется ЧМ сигнал.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в улучшении спектральных характеристик частотного модулятора, нахождении компромисса между скоростью работы системы и чистотой спектра выходного сигнала, а также в расширении функциональных возможностей – использовании тракта модулятора в качестве демодулятора.
Для решения поставленной задачи в частотный модулятор/демодулятор, содержащий опорный генератор (ОГ), последовательно соединенные делитель с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) и импульсно-фазовый детектор (ИФД), первый фильтр нижних частот (ФНЧ), последовательно соединенные генератор, управляемый напряжением и делитель частоты с дробным переменным коэффициентом деления (ДДПКД), выход которого соединен со вторым входом ИФД, а также аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого соединен с соответствующим входом (ДДПКД), при этом второй вход ДФКД подсоединен к выходу устройства управления, вход АЦП является входом модулятора, выход ГУН – выходом модулятора, согласно полезной модели, введены первый коммутатор, включенный между ОГ и ДФКД, а также последовательно соединенные второй коммутатор, второй ФНЧ и третий коммутатор, выход которого соединен с входом ГУН и является выходом демодулятора, кроме того, другой выход второго коммутатора соединен с входом первого ФНЧ, выход которого соединен с соответствующим входом третьего коммутатора, при этом вторые входы первого, второго и третьего коммутаторов и ДДПКД подсоединены к выходу устройства управления; первый вход второго коммутатора соединен с выходом ИФД; третий вход первого коммутатора является входом демодулятора.
Функциональная схема предлагаемого устройства изображена на фиг. 2, где обозначено:
1 – опорный генератор (ОГ);
2, 5, 8 – первый, второй и третий коммутаторы;
3 – делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
4 – импульсно-фазовый детектор (ИФД);
6, 7 – первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ);
9 – генератор, управляемый напряжением (ГУН);
10 – делитель частоты с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДПКД);
11 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные ОГ 1, первый коммутатор 2, ДФКД 3, ИФД 4 и второй коммутатор 5, два выхода которого соединены соответственно с входами первого 6 и второго 7 ФНЧ, выходы которых соединены с соответствующими входами третьего коммутатора 8, выход которого является выходом демодулятора и через последовательно соединенные ГУН 9 и ДДПКД 10 соединен со вторым входом ИФД 4. Выход ГУН 9 является выходом модулятора. Третий вход первого коммутатора является входом демодулятора.
При этом выход АЦП 11 соединен с управляющим входом ДДПКД 10. Вход АЦП 11 является входом модулятора. Вторые входы первого 2, второго 5 и третьего 8 коммутаторов, а также ДФКД 3 и ДДПКД 10 подключены к выходу устройства управления (УУ) (на фиг. 2 не показан).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
На вход демодулятора подаётся сигнал промежуточной частоты после предварительной селекции и усиления до необходимого уровня. В режиме демодуляции первый коммутатор 2 соединяет вход демодулятора с входом ДФКД 3,с выхода которого демодулируемый сигнал поступает в ИФД 4, на второй вход которого подаются сигналы обратной связи с выхода ГУН 9 через ДДПКД 10. В этом случае сигнал ошибки, получаемый на выходе ИФД 4, будет являться результатом демодуляции и после прохождения фильтрации первым ФНЧ 6 или вторым ФНЧ 7, в зависимости от управляющего сигнала с УУ, подается как на вход ГУН 9, так и на выход демодулятора. В этом режиме работы сигнал на входе модулятора отсутствует, значение коэффициента деления ДДПКД 10 задается управляющим сигналом, поступающим с выхода УУ, и остается фиксированным.
В режиме модуляции, после получения соответствующего управляющего сигнала с выхода УУ, первый коммутатор 2 соединяет выход ОГ 1 с входом ДФКД 3 и далее уже по вышеприведенному алгоритму происходит модуляция.
При модуляции (демодуляции) речевых сигналов, путем подачи соответствующих управляющих сигналов на второй 5 и третий 8 коммутаторы, в тракт системы ИФАПЧ в качестве петлевого фильтра подключается первый ФНЧ 6, имеющий более узкую полосу пропускания, в отличие от второго ФНЧ 7, предназначенного для модуляции (демодуляции) двоичных сигналов.
В качестве реализации первого коммутатора можно использовать, например, микросхемы ADG701/702BRT фирмы Analog Devices; блоки ДФКД, ИФД, ДПКД могут быть реализованы, например, на микросхеме SKY72301-22 фирмы Skyworks. Второй и третий коммутаторы можно реализовать, например, на микросхеме ADG419BR фирмы Analog Devices, первый и второй фильтры нижних частот можно реализовать как пассивные фильтры второго порядка. В качестве ГУН можно использовать ГК252-УН-С, производящиеся ЗАО «НПФ» БМГ-плюс. Устройство управления и АЦП можно выполнить на микросхеме 1886ВЕ6У фирмы Миландр.
Таким образом, за счет коммутации с помощью второго и третьего коммутаторов, фильтров нижних частот с разной полосой пропускания достигается уменьшение побочных спектральных составляющих на выходе модулятора при передаче как речевых, так и двоичных сигналов, а также достигается компромисс между быстродействием системы ИФАПЧ и чистотой спектра выходного сигнала.
Введение в предлагаемое устройство первого коммутатора и дополнительных связей с управляющим устройством позволяет использовать предлагаемое устройство в качестве демодулятора ЧМ сигналов, что расширяет функциональные возможности устройства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шитиков Г.Т. Стабильные автогенераторы метровых и дециметровых волн. – М.: Радио и связь. – 1983. – 256 с.
2. Тихомиров Н.М., Романов С.К., Леньшин А.В. Формирование ЧМ сигналов в системах в автоподстройкой.-М.: Радио и связь, 2004.
3. Романов С.К., Марков И.А. Определение помех дробности в синтезаторах частот с системами ФАПЧ, использующих дельта-сигма модуляторы в дробных делителях частоты. // Теория и техника радиосвязи. Научно-технический сборник, ОАО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж, 2006 г, №1, стр.97-102.
4. Ямпурин Н.П., Болзнев В.В., Сафонова Е.В., Жалнин Е.Б. Формирование прецизионных частот и сигналов.-Нижегород. гос. техн. ун-т. Нижний Новгород, 2003. 187 с.
5. Попов П.А., Леньшин А.В., Шаталов Е.В. Угловая модуляция цифровых синтезаторов частот. – Воронеж: ВИ МВД России, 2001. – 262 с.