БЕЗЫНЕРЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ОБОБЩЕННОГО АМ-СИГНАЛА
INERTIA-FREE DETECTOR OF GENERALISED AM-SIGNAL

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к радиотехнике и измерительной технике.
Уровень техники.
Амплитудные детекторы подобного назначения известны.
1. Энергетический амплитудный детектор. Авторское свидетельство на изобретение №171027 от 19.12.63 г. Авторы: С.С.Зельманов и Д.В.Агеев.
Этот первый аналог изобретения основан на использовании закона изменения полной энергии колебаний в контуре, находящемся под воздействием АМ-сигнала, для определения закона изменения огибающей этого сигнала. Он отличается от известных тем, что для исключения влияния соотношения несущей и модулирующей частот детектируемого сигнала параллельно конденсатору контура и сопротивлению, включенному последовательно в цепь контура, присоединены входы четырехполюсников с квадратичными характеристиками, а выходы четырехполюсников подключены к сумматору, выход которого является выходом схемы детектора. Блок-схема описываемого детектора изображена на Фиг.1.
Напряжения, снимаемые с резистора R и конденсатора С, подаются на входы квадраторов 1 и 2 соответственно. Напряжения, снимаемые с выходов квадраторов, пропорциональные величинам электрической и магнитной энергий контура, подаются на вход сумматора 3. Выражение для полной энергии колебаний в контуре имеет вид:
C
где u(t) - напряжение на конденсаторе, i(t) - ток в контуре.
Это выражение для энергии может быть преобразовано к виду:
где
Если на входе контура действует АМ-сигнал, то с выхода контура, с емкости, снимается сигнал вида:
C
0
0
u(t)=U(t)Sin(ωt+φ)
Примем для упрощения преобразований сопротивление контура равным 1 Ом. Тогда напряжение, снимаемое с резистора контура, будет иметь вид: . Выражение для энергии контура может быть представлено так:
где .
Из этого выражения следует, что при относительно малой величине производной огибающей АМ-сигнала можно пренебречь вторым и третьим слагаемыми в выражении (2). Тогда напряжение на выходе сумматора 3 энергетического детектора может быть достаточно точно представлено выражением (3):
Такой детектор мы будем называть квадратичным энергетическим детектором. Операция энергетического детектирования является по существу безынерционной дифференциальной операцией. Недостатком этого устройства является наличие на выходе детектора «остатка», обусловленного вторым и третьим слагаемыми выражения (2). Наличие этого «остатка» приводит к искажениям, которые возрастают при сближении частот модулирующего и несущего сигнала. При этом не достигается высокая точность детектирования. Более совершенным устройством, в котором частично устраняется этот недостаток, является следующий аналог, представляющий собой прототип. С точки зрения поставленной задачи его совокупность признаков является наиболее близкой к совокупности существенных признаков предлагаемого изобретения.
2. Энергетический амплитудный детектор. Авторское свидетельство на изобретение №1385243 от 27.03.86 г. Автор С.С.Зельманов.
Приведем теоретические предпосылки, которые послужили основой для создания функциональной схемы этого детектора.
0
Обратимся к выражению для АМ-сигнала, которое содержит по существу два неизвестных: U(t) и φ.
0
0
где ψ(t)=ωt+φ
0
0
Необходимо определить вид такого уравнения, которое связывало бы функции U(t) и u(t), но было бы инвариантным по отношению к начальной фазе φ, т.е. начальная фаза φ не должна входить в это уравнение в явном виде. Однако это уравнение должно удовлетворяться только при подстановке в него модулирующей функции U(t), соответствующей переданному сообщению. Выразим полную фазу АМ-колебания:
Продифференцируем обе части полученного выражения и учтем, что . Тогда получим:
После проведения преобразований выражение (6) примет вид:
0
Нелинейное уравнение (7) содержит неизвестную модулирующую функцию U(f) и ее производную . В качестве известных функций в это уравнение входит АМ-сигнал u(t)=u, его производная  и частота ω.
Представим полученное уравнение в следующей форме:
Это нелинейное уравнение должно удовлетворяться только при подстановке в него модулирующей функции U(t) и ее производной. Этому уравнению соответствует функциональная блок-схема устройства под названием «Энергетический амплитудный детектор», которая представлена на Фиг.2.
Это устройство содержит источник входного сигнала 1, катушку индуктивности 2, конденсатор 3, резистор 4, квадраторы 5 и 6, сумматор 7, перемножители 8-10, инвертор 11, блок 12 извлечения квадратного корня, дифференциатор 13, блок деления 14, дополнительный квадратор 15.
2
Основой функциональной схемы, ее «ядром» является квадратичный энергетический детектор, т.е. рассмотренный первый аналог детектора, представленный элементами и блоками: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Ему соответствует операция, представленная двумя первыми членами под корнем выражения (8). Она выражает закон изменения энергии колебательного контура, находящегося под воздействием АМ-сигнала. Этот закон, представленный выражением (1) и раскрытый в выражении (2), наряду c U(t) содержит нежелательный «остаток» в виде второго и третьего членов.
Техническая задача детектирования, т.е. задача определения огибающей АМ-сигнала, реализуется устройством, представленным на Фиг.2, состоит в повышении точности процесса безынерционного детектирования АМ-сигнала, реализуемого устройством-аналогом, функциональная блок-схема которого представлена на Фиг.1. Предполагается, что эта техническая задача может быть реализована за счет компенсации упомянутого «остатка» с помощью третьего и четвертого членов под корнем выражения (8). Для компенсации этого «остатка» необходимо в соответствии с выражением (8), чтобы с блока 12 в цепь обратной связи на входы блоков 13 и 14 подавалось напряжение огибающей U(t). Это требование идеальной модели устройства.
Реальный энергетический амплитудный детектор работает следующим образом. На вход первого квадратора 5 поступает сигнал, пропорциональный мгновенному значению напряжения на конденсаторе.
На вход второго квадратора 6 поступает сигнал, пропорциональный мгновенному значению тока в колебательном контуре.
Напряжения на выходах первого и второго квадраторов, подаваемые на первый и второй входы сумматора 7, пропорциональны соответственно электрической и магнитной энергиям колебательного контура. В сумматоре 7 образуется напряжение, пропорциональное полной энергии колебательного контура:
При этом второй, третий и четвертый члены выражения (11) являются «остатком», который служит причиной искажений выходного сигнала детектора. С выхода сумматора 7 сигнал подается на блок 12 извлечения квадратного корня. Одновременно сигналы с конденсатора 3 и резистора 4 подаются через первый перемножитель 8 и инвертор 11 на первый вход второго перемножителя 9, на второй вход которого поступает сигнал с выхода блока деления 14. На один вход блока деления 14 сигнал поступает с выхода дифференциатора 13, а на другой - с выхода блока извлечения квадратного корня 12. При этом в соответствии с уравнением (8) необходимо, чтобы с первого момента работы детектора, представленного на Фиг.2, на входы блоков 13 и 14 с выхода блока 12 подавалось бы напряжение огибающей АМ-сигнала U(t) без какого-либо «остатка». Тогда в сумматоре 7 будет иметь место полная компенсация «остатка». Это происходит так. Сформированное во втором перемножителе 9 напряжение подается на первый дополнительный вход сумматора 7 и имеет следующий вид:
На второй дополнительный вход сумматора 7 подается напряжение, сформированное в третьем перемножителе 10 и имеющее следующий вид:
Дополнительные входы сумматора 7 являются компенсационными, так как напряжения (12) и (13), подаваемые на эти входы, предназначены для компенсации «остатка», представленного вторым, третьим и четвертым членами выражения (11). Тогда в сумматоре (7) будет иметь место полная компенсация «остатка».
Однако при действии АМ-сигнала на входе схемы реального энергетического детектора с обратной связью в первые моменты времени на его выходе будет формироваться напряжение огибающей U(t) с некоторым «остатком». Это напряжение поступает в цепь обратной связи, т.е. на входы блоков 13 и 14. Поэтому цепь обратной связи вырабатывает напряжение, которое обеспечивает лишь частичную компенсацию «остатка» в сумматоре 7. Это подтверждают и результаты моделирования детектора с помощью Math Cad, представленные на Фиг.3.
На Фиг.3а представлена осциллограмма АМ-сигнала на входе детектора. Под ней располагаются соответственно: 3b - напряжение на выходе энергетического детектора без обратной связи, 3с - «остаток» при этом виде детектирования, 3d - напряжение на выходе энергетического детектора с обратной связью, 3е - «остаток» при этом виде детектирования. Исследование характера напряжения «остатка» в установившемся режиме для этих случаев показывает, что его величина уменьшается в 2 раза, но «остаток» полностью не компенсируется. Частота колебаний «остатка» увеличивается в 2 раза.
Из результата этого эксперимента следует:
1. Рассмотренный прототип - энергетический детектор с обратной связью обладает определенным преимуществом по сравнению с аналогом - энергетическим детектором без обратной связи, т.е. обратная связь в схеме детектора способствует уменьшению «остатка» в выходном напряжении детектора.
2. Улучшение качества напряжения огибающей АМ-сигнала, подаваемого на входы блоков 13 и 14, повышает качество выходного напряжения детектора, т.е. уменьшает величину «остатка».
3. С введением обратной связи частота колебаний «остатка» увеличивается в 2 раза, что облегчает задачу его фильтрации при необходимости.
0
Однако данное устройство-прототип обладает следующим недостатком. Он заключается в том, что его схемное решение позволяет лишь частично устранить «остаток» в выходном сигнале детектора, получающийся в результате процесса детектирования входного АМ-сигнала. Кроме того, величина этого «остатка» будет увеличиваться при сближении частот модулирующего и несущего колебаний. Это означает, что прототип может работать лишь при условии, что ω>Ω, т.е. величина частоты несущего колебания будет больше величины частоты модулирующего сигнала. Он не решает задачу полного устранения «остатка» и не может быть использован при детектировании обобщенного АМ-сигнала, для которого характерно любое соотношение величин частот модулирующего и несущего колебаний.
Раскрытие изобретения.
0
0
0
Технической задачей или целью настоящего предлагаемого изобретения является повышение качества сигнала на выходе детектора за счет полного исключения «остатка» в выходном сигнале детектора по отношению к результату, обеспеченному устройством-прототипом, при отсутствии всех ограничений на соотношение между несущей и модулирующей частотами АМ-сигнала, действующего на входе амплитудного детектора. Такой АМ-сигнал называется обобщенным. Этот результат достигается за счет определения точного значения начальной фазы φ детектируемого обобщенного АМ-сигнала u(t), создания в детекторе гармонического колебания Sin(ωt+φ) с требуемым значением начальной фазы и получения на выходе детектора напряжения модулирующей функции U(t) обобщенного АМ-сигнала путем деления напряжения принимаемого обобщенного АМ-сигнала, действующего на входе детектора, на напряжение упомянутого гармонического колебания. Математически эта процедура может быть представлена соотношением вида:
0
0
где u(t)=U(t)·Sin(ωt+φ)
Техническая задача может быть решена с достижением предлагаемого технического результата за счет создания схемы безынерционного детектора обобщенного АМ-сигнала (Фиг.4).
При этом в схему энергетического амплитудного детектора-прототипа, который содержит последовательно соединенные источник входного сигнала 1, катушку индуктивности 2, конденсатор 3, резистор 4, квадраторы 5 и 6, сумматор 7, перемножители 8, 9, 10, инвертор 11, блок извлечения квадратного корня 12, дифференциатор 13, блок деления 14 и дополнительный квадратор 15, вводятся дополнительно блок сравнения 16, блок деления 17, фазомодулированный генератор гармонического сигнала 18, вход которого подключен к выходу блока сравнения 16, первый вход которого подключен к выходу блока извлечения квадратного корня 12, отключенного от соединенных между собой входов дифференциатора 13 и второго входа блока деления 14, которые подключены к второму входу блока сравнения 16 и выходу блока деления 17, первый вход которого соединен с выходом генератора гармонического сигнала 18, второй вход блока деления 17 соединен с точкой соединения катушки индуктивности 2 и конденсатора 3, а выход блока деления 17 является выходом безынерционного детектора обобщенного АМ-сигнала.
Рассмотрим теоретические соображения, положенные в основу предлагаемого устройства и принцип его работы.
0
0
0
k
k
0
Если АМ-сигнал в общем случае имеет вид u(t)=U(t)sin(ωt+φ), то алгоритм амплитудного детектирования может быть представлен выражением (14). Неопределенность этой операции заключается в том, что на приеме всегда неизвестна начальная фаза φ. Это означает, что любому значению начальной фазы φ соответствует своя функция огибающей U(t). Однако только одно значение φ=φ дает истинную огибающую, то есть переданное сообщение. Поэтому задача сводится к автоматическому определению и установлению этой фазы в фазомодулированном генераторе гармонического сигнала 18. После этого снимаемый с конденсатора 3 контура входной сигнал подается на блок 17 делителя, где происходит его деление на напряжение гармонического сигнала, поступающего с генератора 18. В результате на выходе делителя 17 получается напряжение модулирующего сигнала без какого-либо «остатка», т.е. выполняется операция (14).
0
Для автоматического определения точного значения начальной фазы φ используется некоторая особенность работы схемы энергетического детектора с обратной связью, который, будучи прототипом, является составной частью схемы безынерционного детектора обобщенного АМ-сигнала. Рассмотрим эту особенность, используя функциональную блок-схему прототипа, представленную на Фиг.2, в которой выход блока 12 отключен от соединенных между собой входов блока 13 и блока 14, т.е.цепь обратной связи разомкнута (Фиг.5).
На вход первого квадратора 5 поступает сигнал, пропорциональный мгновенному значению напряжения на конденсаторе.
На вход второго квадратора 6 поступает сигнал, пропорциональный мгновенному значению тока в колебательном контуре.
Напряжения на выходах первого и второго квадраторов, подаваемые на первый и второй входы сумматора 7, пропорциональны соответственно электрической и магнитной энергиям колебательного контура. В сумматоре 7 образуется напряжение, пропорциональное полной энергии колебательного контура:
При этом второй, третий и четвертый члены выражения (11) являются «остатком», который служит причиной искажений выходного сигнала детектора. С выхода сумматора 7 сигнал подается на блок 12 извлечения квадратного корня. Одновременно сигналы с конденсатора 3 и резистора 4 подаются через первый перемножитель 8 и инвертор 11 на первый вход второго перемножителя 9, на второй вход которого поступает сигнал с выхода блока деления 14. На один вход блока деления 14 сигнал поступает с выхода дифференциатора 13, а на другой - с выхода блока извлечения квадратного корня 12. При этом в соответствии с уравнением (8) необходимо, чтобы с первого момента работы детектора, представленного на Фиг.2, на входы блоков 13 и 14 подавалось бы напряжение огибающей АМ-сигнала U(t). Тогда в сумматоре 7 могла бы иметь место полная компенсация «остатка». В этом случае сформированное во втором перемножителе 9 напряжение подается на первый дополнительный вход сумматора 7 и имеет следующий вид:
На второй дополнительный вход сумматора 7 подается напряжение, сформированное в третьем перемножителе 10 и имеющее следующий вид:
Дополнительные входы сумматора 7 являются компенсационными, так как напряжения (18) и (19), подаваемые на эти входы, предназначены для компенсации «остатка», представленного вторым, третьим и четвертым членами выражения (17). Тогда в сумматоре (7) будет иметь место полная компенсация «остатка». В этом можно убедиться, если сложив (18) и (19), прибавить результат к выражению (17).
Однако в схеме прототипа на соединенные между собой входы блоков 13 и 14 подается напряжение огибающей вместе с «остатком» с выхода блока 12. Это обстоятельство делает невозможным полное устранение «остатка» в рамках модели прототипа, но позволяет выяснить особенность этой модели, которая может быть использована для ее усовершенствования.
12
17
12
17
Если в соответствии с уравнением (8) и выражениями (17), (18) и (19) на входы блоков 13 и 14, отсоединенные от выхода блока 12, подать напряжение огибающей АМ-сигнала U(t), как это представлено на Фиг.5, то на выходе блока 12 также появится напряжение огибающей АМ-сигнала U(t). Формы этих сигналов будут совпадать. Если же на соединенные между собой входы блоков 13 и 14 подать какое-либо другое, отличное по форме от U(t) напряжение, то на выходе блока 12 появится напряжение, существенно отличающееся по форме, как от напряжения U(t),так и от напряжения, поданного на соединенные между собой входы блоков 13 и 14. Это означает, что функциональная блок-схема, представленная на Фиг.5, является чувствительным элементом для определения истинной огибающей обобщенного АМ-сигнала, действующего на входе детектора. На Фиг.4. функциональной блок-схемы предлагаемого безынерционного детектора обобщенного АМ-сигнала рассмотренный прототип детектора является фрагментом, содержащим блоки с 1-го по 12-й включительно. При этом выход 12-го блока и соединенные между собой входы 13-го и 14-го блоков подключены соответственно к первому и второму входам вновь введенного блока сравнения 16, в котором в соответствии с определенным критерием со среднеквадратичным критерием происходит сравнение по форме сигнала u(t), поступающего с выхода блока 12, с сигналом u(t), поступающим с выхода блока 17. В качестве критерия оценки в различии формы сигналов u(t) и u(t) принят критерий среднеквадратичного отклонения вида:
12
17
12
17
0
Блок 17 является делителем напряжения входного обобщенного АМ-сигнала, поступающего с конденсатора 3 входного контура, на гармоническое напряжение, поступающее от фазомодулированного генератора 18, начальная фаза колебания которого регулируется сигналом рассогласования форм u(t) и u(t) с выхода блока сравнения 16. Эта регулировка начальной фазы происходит до момента, пока напряжения u(t) и u(t) не совпадут по форме (ΔФ=0). В этот момент начальная фаза генератора 18 приобретает значение φ, и с выхода безынерционного детектора обобщенного АМ-сигнала, совпадающего с выходом блока 17, одним из входов блока 16 и соединенными между собой входами блоков 13 и 14 начинает поступать напряжение U(t) огибающей обобщенного АМ-сигнала без какого-либо «остатка» в соответствии с выражением (14). Кроме того, заметим, что результат деление в блоке 17 входного АМ-сигнала на гармоническое напряжение генератора 18 никак не связано с соотношением между величинами частот несущего и модулирующего сигналов. Результаты моделирования работы безынерционного детектора обобщенного АМ-сигнала с помощью Math Cad, подтверждающие эти качества и преимущества предлагаемого изобретения, представлены на Фиг.6. и Фиг.7.
Из результата этого эксперимента следует:
1. Безынерционный детектор обобщенного АМ-сигнала обеспечивает на своем выходе напряжение модулирующей функции обобщенного АМ-сигнала без какого-либо «остатка».
2. Результат детектирования, обеспечиваемый безынерционным детектором обобщенного АМ-сигнала, не зависит от соотношения величин несущей и модулирующей частот обобщенного АМ-сигнала.