УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ КВАДРАТУРНЫХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к области радиоэлектроники, в частности, к цифровому преобразованию частоты, и может быть использована в составе системы передачи информации по радиоканалу.
Известен способ построения устройства преобразования частоты, используемый при квадратурной амплитудной модуляции [1], в соответствии с которым квадратурные составляющие сигнала подаются на умножители, где они умножаются на тригонометрические функции - синус и косинус, после чего полученные произведения подаются на сумматор (вычитающее устройство), где они суммируются (вычитаются), образуя сигнал, представляющий собой исходный сигнал, сдвинутый на некоторую другую частоту.
Недостатками такого метода является необходимость наличия памяти для хранения отсчетов тригонометрических функций, а также использование умножителей. Более того, если производится перенос на низкую промежуточную частоту, и сигнал после преобразования является комплексным, то необходимо использовать комплексные умножители, что требует значительных аппаратных затрат.
Также известен способ преобразования частоты, включающий цифровое вычисление поворота координат [2], и устройство на его основе [3]. Данный способ позволяет производить преобразование координат, в частности, поворачивать вектор с началом центре координат, определенный его декартовыми координатами, на заданный угол, с использованием сложений (вычитаний) и поразрядных сдвигов. Если угол (фаза) будет линейно меняться, данный алгоритм будет осуществлять преобразование частоты входного сигнала. Достоинством описанного способа является его простая реализация устройством-прототипом.
Недостатком алгоритма работы данного устройства является отсутствие механизма коррекции фазовой ошибки, возникающей в передающем тракте. Ошибка возникает от неоднородности как линий связи, так и самого модулятора. Фазовая ошибка между квадратурами способствует неполному подавлению образа сигнала, в результате чего на выходе модулятора кроме полезного сигнала существует нежелательный, недостаточно сильно подавленный образ сигнала.
Наиболее близким к заявляемому, выбранным в качестве прототипа, является устройство для преобразования частоты [4], включающий блок преобразования частоты на основе синусного и косинусного преобразователей и умножителя и блок компенсации фазовой ошибки. Достоинством устройства-прототипа является возможность коррекции фазы выходного сигнала. Недостатком этого устройства является  отсутствие возможности его использования при фазовой манипуляции и квадратурной амплитудной модуляции (КАМ модуляции).
Для устранения указанного недостатка устройства-прототипа была поставлена задача создания устройства для преобразования частоты с возможностью коррекции фазовой ошибки, предназначенного для работы с фазоманипулированными сигналами и с квадратурными амплитудно-модулированными сигналами.
Поставленная задача решается тем, что устройство вместо блока преобразования частоты на основе синусного и косинусного преобразователей и умножителя содержит блок, отвечающий за перенос сигнала на промежуточную частоту на основе цифрового вычисления поворота координат, включающий два канала преобразования, каждый из которых аналогичен блоку переноса сигнала на промежуточную частоту, применяемому в [3].
Операция, производимая первым каналом блока преобразования частоты, может быть представлена в следующей форме:
0
k
0
01
где  - исходный сигнал, поступивший на информационный вход блока, A(t) - амплитуда исходного сигнала, φ(t) - фаза исходного сигнала, ω- промежуточная частота, на которую переносится сигнал, φ - начальная фаза преобразования первого канала.
Операция, производимая вторым каналом блока преобразования частоты, может быть представлена в следующей форме:
0
k
0
02
где  - исходный сигнал, поступивший на информационный вход блока, A(t) - амплитуда исходного сигнала, φ(t) - фаза исходного сигнала, ω - промежуточная частота, на которую переносится сигнал, φ - начальная фаза преобразования второго канала.
1
2
Комплексный сигнал на промежуточной частоте формируется отдельным блоком из действительной части сигнала S'(t) и мнимой части сигнала S'(t):
где Re - операция взятия действительной части, Im - операция взятия мнимой части.
01
02
Каждый из каналов блока преобразования частоты имеет свой отдельный вход значения коррекции начальной фазы преобразования (значения φ и φ в формулах (1, 2)). При этом блок преобразования частоты, а также блок формирования выходного комплексного сигнала на промежуточной частоте могут быть реализованы на сигнальном процессоре либо на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).
Сигнал с выхода блока, реализующего формулу (3), подается далее на цифро-налоговый преобразователь, с выхода цифро-налогового преобразователя сигнал подается на квадратурный модулятор.
ПЧ
0
0
ПЧ
0
ПЧ
0
ПЧ
0
ПЧ
Настройка фаз квадратур для компенсации фазовой ошибки осуществляется в следующем порядке. В качестве исходного сигнала используется сигнал с постоянным уровнем, отличным от нуля (константа). Выполняется перенос исходного сигнала на произвольную (в пределах допустимой реализацией устройства) промежуточную частоту f. При идеальных фазовых соотношениях в квадратурном модуляторе спектр получившегося радиосигнала с центральной частотой f представляет из себя одну гармонику частотой f+f. При наличии дисбаланс фаз, в спектре появляется неподавленная гармоника с частотой f-f. Настройка параметров с целью компенсации фазовой ошибки осуществляется по критерию минимума средней мощности гармоники с частотой f-f. Значение средней мощности гармоники с частотой f-f подается на вход блока, отвечающего за формирование сигналов компенсации фазовой ошибки, откуда сформированные сигналы компенсации фазовой ошибки подаются на входы обратной связи первого и второго каналов блока преобразования частоты.
Далее полезная модель поясняется с помощью чертежа.
Структурная схема преобразователя частоты (см. фиг.1) содержит блок переноса сигнала на промежуточную частоту 1, информационный вход которого является входом устройства, а выходы которого подключены соответственно к первому и к второму входам блока преобразования сигналов 2, выход которого подключен к входу цифро-аналогового преобразователя 4, выход цифро-аналогового преобразователя 4 подключен к первому входу квадратурного модулятора 5, выход которого подключен к входу анализатора спектра 7, выход которого подсоединен к входу блока формирования сигналов компенсации фазовой ошибки 3, первый выход которого подключен к входу обратной связи первого канала блока переноса сигнала на промежуточную частоту 1, а второй выход которого подключен к входу обратной связи второго канала блока переноса сигнала на промежуточную частоту 1, и генератора радиочастоты 6, подключенного своим выходом к второму входу квадратурного модулятора 5. Выход квадратурного модулятора 5 является также выходом устройства.
0
0
Блок переноса сигнала на промежуточную частоту 1 осуществляет операцию, описанную формулами (1, 2), с сигналом, поступившим на его информационный вход. Далее сигналы с выходов первого и второго каналов блока переноса сигнала на промежуточную частоту 1 подаются на входы блока преобразования сигналов 2, осуществляющего операцию, описанную формулой (3). Далее с выхода блока 2 полученный сигнал вида (3) промежуточной частоты поступает на вход цифро-аналогового преобразователя 4, где сигнал преобразуется в аналоговый вид. Далее сигнал с выхода блока 4 поступает на первый вход квадратурного модулятора 5. На второй вход квадратурного модулятора 5 поступает сигнал несущей частоты f, полученный с выхода генератора радиочастоты 6. Квадратурный модулятор 5 осуществляет перенос сигнала, поступающего на первый его вход, на радиочастоту f.
0
ПЧ
0
ПЧ
Анализатор спектра 7 подключается своим входом к выходу квадратурного модулятора 6 в случаях, когда необходимо осуществить коррекцию начальных фаз преобразований каналов преобразования частоты. Анализатор спектра необходим для определения уровня средней мощности гармоники с частотой f-f. Значение уровня средней мощности гармоники с частотой f-f подается на вход блока формирования сигналов компенсации фазовой ошибки 3, с которого значения начальных фаз преобразований, необходимые для компенсации фазовой ошибки, подаются на входы обратной связи первого и второго каналов блока переноса сигнала на промежуточную частоту 1. В дальнейшей работе устройства анализатор спектра не используется и может быть отсоединен от устройства.
Таким образом, предлагаемое устройство, по сравнению с устройством-прототипом, имеет возможность работы с фазоманипулированными сигналами и с квадратурными амплитудно-модулированными сигналами.
Список литературы
1. Прокис Джон, Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д.Кловского. - М.: Радио и связь. - 2000 г. - 800 л.: ил., страница 151.
2. V.D.Baykov, V.B.Smolov, Hardware implementation of elementary functions in computers, Leningrad State University, 1975, 96 p.
3. Патент US №7327783 B2, опубликован 05.02.2008 г.
4. Шерстюков С.А., Тихомиров Н.М. Экспериментальное исследование квадратурного фазового модулятора на базе радиочастотной интегральной микросхемы векторного модулятора // Журнал «Теория и техника радиосвязи» №1 за 2009 г., ОАО Концерн «Созвездие». - Воронеж, 2009 г., стр.67-71.