Генератор широкополосных сигналов
BROADBAND SIGNAL GENERATOR

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве формирователей сигналов в передатчиках устройств связи различного назначения.
f
Известен генератор с электронной перестройкой частоты (авторское свидетельство №1817634 от 04.04.1989), в котором с помощью напряжений, вырабатываемых источником напряжений, происходит управление колебательной системой таким образом, что повышается стабильность выходной мощности при перестройке частоты в широком диапазоне с коэффициентом перекрытия по частоте K=2,5. Недостатком данного генератора является узкая полоса частот излучаемого сигнала.
Известен генератор с электронной перестройкой частоты (патент РФ №2042260 от 26.07.1989), предназначенный для генерирования СВЧ-колебаний с плавной перестройкой частоты, недостатком которого является узкая полоса частот излучаемого сигнала.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является генератор квазихаотических колебаний с изменяемыми параметрами спектра по патенту РФ №2330375 от 16.05.2007, принятый за прототип.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства-прототипа, где обозначено:
1.1-1.n - с первого по n-й перестраиваемые формирователи постоянного напряжения;
2.1-2.n - с первого по n-й генераторы, управляемые напряжением (ГУН);
5 - первый полосовой фильтр;
6 - нагрузка.
8 - нелинейный элемент;
9 - второй полосовой фильтр.
упр
Устройство-прототип содержит n перестраиваемых формирователей постоянного напряжения 1.1-1.n, выходы которых соединены с входами соответствующих n ГУН 2.1-2.n, выходы которых объединены и соединены с входом нелинейного элемента 8, выход которого через последовательно соединенные второй 9 и первый 5 полосовые фильтры подсоединен к входу нагрузки 6, выход которой является выходом устройства. Кроме того, выход второго полосового фильтра 9 соединен с входом нелинейного элемента 8. При этом входы перестраиваемых формирователей постоянного напряжения 1.1-1.n являются входами для управляющих напряжений U.
Устройство-прототип работает следующим образом.
упр
1
2
n
За счет выбора значений амплитуд управляющих напряжений U, которые подаются на входы n перестраиваемых формирователей постоянного напряжения 1.1-1.n, на их выходах формируются постоянные напряжения, амплитуды которых определяют частоту гармонических колебаний ω, ω, … ω для n ГУН 2.1-2.n соответственно.
1
2
n
1
2
n
Гармонические колебания с выходов ГУН 2.1-2.n поступают на вход нелинейного элемента 8. На выходе нелинейного элемента 8 образуются комбинационные составляющие гармонических колебаний ω, ω, … ω (суммарные и разностные), которые после прохождения второго полосового фильтра 9 вместе с гармоническими колебаниями, поступающими с выходов ГУН 2.1-2.n, подаются на вход нелинейного элемента 8. После начала работы устройства, в течение некоторого времени, осуществляется образование гармонических колебаний, постепенно заполняющих полосу частот, определяемую полосой второго полосового фильтра 9, плотность заполнения полосы частот определяется значениями частот гармонических колебаний ω, ω, … ω ГУН 2.1-2.n соответственно.
Полоса первого полосового фильтра 5 выбирается исходя из условия обеспечения заданного значения полосы сигнала.
упр
Расстояние между спектральными составляющими регулируется путем выбора амплитуд управляющих напряжений U, определяющих значения частот гармонических колебаний на выходе ГУН 2.1-2.n. При определенных соотношениях между частотами гармонических колебаний, например, когда разность между ними стремится к иррациональному числу, спектр формируемого сигнала стремится к сплошному спектру.
Сформированный сигнал поступает на нагрузку 6, например широкополосный усилитель или антенну.
Устройство-прототип обеспечивает формирование сигнала, полоса которого ограничивается только частотными характеристиками используемых элементов, а «заполняемость» спектра гармоническими колебаниями регулируется путем выбора значений амплитуд управляющих напряжений.
Недостатком устройства-прототипа является значительная неравномерность амплитудно-частотной характеристики сигнала, большое время формирования сигнала и соответственно наличие ограничений на скорость обмена данными при его применении в средствах связи.
Задачей изобретения является - обеспечение формирования коротких мощных импульсов в широкой полосе частот без несущей.
Достигаемый технический результат - обеспечение формирования широкополосного сигнала с синфазными частотными составляющими с равномерной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) за время, соизмеримое со значением периода, соответствующего нижней частоте сигнала.
Для устранения указанных недостатков в генератор, содержащий n перестраиваемых формирователей постоянного напряжения 1.1-1.n, выходы которых соединены с входами соответствующих n генераторов, управляемых напряжением (ГУН) 2.1-2.n, последовательно соединенные полосовой фильтр (5) и нагрузку (6), выход которой является выходом устройства, при этом входы перестраиваемых формирователей постоянного напряжения 1.1-1.n являются входами для управляющих напряжений, согласно изобретению введены n электронных ключей 3.1-3.n, входы которых соединены с выходами соответствующих n ГУН 2.1-2.n, устройство умножения 4, выход которого соединен с входом полосового фильтра 5, причем выходы электронных ключей 3.1-3.n с 1 по k-й объединены и соединены с первым входом устройства умножения 4, а выходы электронных ключей с k+1-й по n-й объединены и соединены с вторым входом устройства умножения 4; также введено устройство управления 7, выход которого соединен со вторыми входами электронных ключей 3.1-3.n.
Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 2, где обозначено:
1.1-1.n - с первого по n-й перестраиваемые формирователи постоянного напряжения;
2.1-2.n - с первого по n-й ГУН;
3.1-3.n - с первого по n-й электронные ключи;
4 - устройство умножения;
5 - полосовой фильтр;
6 - нагрузка;
7 - устройство управления.
упр
Предлагаемое устройство, содержит n перестраиваемых формирователей постоянного напряжения 1.1-1.n, выходы которых соединены с входами соответствующих n ГУН 2.1-2.n, n электронных ключей 3.1-3.n, входы которых соединены с выходами соответствующих n ГУН 2.1-2.n, последовательно соединенные устройство умножения 4, полосовой фильтр 5 и нагрузка 6, выход которой является выходом устройства, причем выходы электронных ключей с 3.1 по 3.k объединены и соединены с первым входом устройства умножения 4, а выходы электронных ключей с 3.(k+1) по 3.n объединены и соединены со вторым входом устройства умножения 4; а также устройство управления 7, выход которого соединен со вторыми (управляющими) входами электронных ключей 3.1-3.n, при этом входы перестраиваемых формирователей постоянного напряжения 1.1-1.n являются входами для управляющих напряжений U.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Общее число перестраиваемых n формирователей постоянного напряжения 1.1-1.n, ГУН 2.1-2.n, электронных ключей 3.1-3.n и число устройств k, отвечающих за формирование первой сетки частот, определяется в зависимости от предъявляемых требований к генератору по величине полосы частот генератора, плотности заполнения спектра сигнала и мощности выходного сигнала на этапе разработки устройства.
Первая группа ГУН 1.1-1.k являются генераторами первой сетки частот и формируют сетку частот в заданном диапазоне частот.
Вторая группа ГУН 1.(k+1)-1.n являются генераторами второй сетки частот и формируют сетку частот в заданном диапазоне частот.
н
в
н
в
Первая группа ГУН 1.1-1.k формирует частотные составляющие в полосе частот генератора F - F, где F, F - значения нижней и верхней частот генератора.
упр
Расстояние между спектральными составляющими задается и регулируется путем выбора амплитуд управляющих напряжений U, определяющих значения напряжений на выходе перестраиваемых формирователей постоянного напряжения с 1-го по n-й.
Число частот первой сетки частот рассчитывается по формуле
p1
где F - шаг изменения частоты,  - целая часть числа.
Значения частот первой сетки частот определяются следующим образом:
1
н
где i - номер частоты, при этом F(1)=F.
Значения частот сетки частот второй группы определяются следующим образом:
p2
2
p2
где i - номер частоты, F - расстояние между спектральными составляющими, при этом F(1)=F.
Расстояние между спектральными составляющими второй сетки частот определяется по формуле
2
где N - число частот второй сетки частот.
Число частот второй сетки задают исходя из требуемой плотности заполнения спектра сигнала.
упр
Расстояние между спектральными составляющими второй сетки частот регулируется путем выбора амплитуд управляющих напряжений U, определяющих значения напряжений перестраиваемых формирователей постоянного напряжения 1.(k+1)-1.n.
Фазы гармонических колебаний одинаковы. Значение фазы выбирается исходя из используемого вида манипуляции.
В устройстве управления 7 формируются импульсы, поступающие на вторые (управляющие) входы электронных ключей 3.1-3.n и открывающие их на время существования этих импульсов. Длительность импульсов и период их следования выбираются исходя из необходимости обеспечения заданной скорости обмена информацией при использовании генератора в передатчиках средств связи и используемого вида манипуляции сигналов.
1
2
n
Гармонические колебания первой сетки частот с выходов ГУН 2.1-2.k через открытые электронные ключи 3.1-3.k поступают на первый вход устройства умножения 4. Гармонические колебания второй сетки частот с выходов ГУН 1.(k+1)-1.n через открытые электронные ключи 3.(k+1)-3.n поступают на второй вход устройства умножения 4. В устройстве умножения 4 образуются комбинационные составляющие гармонических колебаний ω, ω, … ω (суммарные и разностные), которые после прохождения полосового фильтра 5 поступают на нагрузку 6. Полоса частот результирующего сигнала определяется полосой полосового фильтра 5.
Сформированный сигнал поступает на нагрузку 6, например, широкополосный усилитель или антенну.Ниже приведен пример образования широкополосного сигнала для следующих значений гармонических колебаний:
- значения нижней и верхней частот первой сетки частот - 10-30 МГц;
- расстояние между спектральными составляющими первой сетки частот - 5 МГц;
- значения нижней и верхней частот второй сетки частот - 1-5 МГц;
- расстояние между спектральными составляющими второй сетки частот - 1 МГц.
Значения частот и амплитуд гармонических колебаний приведены в таблице 1.
В таблице 2 приведен результат формирования сигнала за один цикл умножения.
На основе анализа данных, приведенных в таблице 2, установлено, что при использовании предлагаемого устройства за одно умножение гармоник при использовании 10 гармонических колебаний, амплитуды которых установлены равными 1, получен сигнал с полосой 5-35 МГц с неравномерностью АЧХ сигнала, равной 2 (отношение максимального и минимального значений амплитуд сигнала). При выборе полосы полосового фильтра 5 - 11-29 МГц - АЧХ сигнала равномерна.
В таблице 3 приведен результат формирования сигнала устройством-прототипом за один цикл формирования сигнала для случая использования 6 гармонических колебаний, амплитуды которых установлены равными 1:
- значения нижней и верхней частот первой сетки частот - 10-16 МГц;
- расстояние между спектральными составляющими - 3 МГц;
- значения нижней и верхней частот второй сетки частот - 1-3 МГц;
- расстояние между спектральными составляющими - 1 МГц.
При этом считалось, что в качестве нелинейного элемента 8 используется устройство возведения в квадрат.
На основе анализа данных, приведенных в таблице 3, установлено, что при использовании устройства-прототипа за одно умножение гармоник, при использовании 6 гармонических колебаний, получен сигнал с полосой 1-19 МГц с неравномерностью АЧХ сигнала равной 2,5.
Причем сигнал с равномерной характеристикой может быть получен только в узком диапазоне частот 16-19 МГц.
На фиг. 3 приведен результат моделирования формирования сигнала с использованием системы MATLAB за один цикл умножения для двух периодов. Значение периода соответствует нижней частоте первой сетки частот 100 МГц. Моделирование осуществлено для следующих исходных данных:
- значения нижней и верхней частот первой сетки частот - 100-200 МГц;
- расстояние между спектральными составляющими - 10 МГц;
- значения нижней и верхней частот второй сетки частот - 1-10 МГц;
- расстояние между спектральными составляющими - 1 МГц.
На основе анализа формы сигнала, приведенного на фиг. 3, установлено, что за одно умножение гармоник при использовании 20 гармонических колебаний, амплитуды которых равны 1, может быть получен сигнал с длительностью около 0,7Т, где Т - период, соответствующий нижней частоте первой сетки частот 100 МГц.
-8
То есть в данном случае может использоваться сигнал с длительностью около 0,7⋅10 с.
Причем амплитуда положительной полуволны составляет около 94% от максимально возможной, а амплитуда отрицательной полуволны составляет около 60% от максимально возможной.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает формирование широкополосного сигнала с равномерной АЧХ за время, соизмеримое со значением периода сигнала, соответствующего нижней частоте сигнала.
Примечание: в первом столбце указаны значения частот первой сетки частот, на которые умножаются частоты второй сетки частот. В соответствующей строке приведен результат умножения - амплитуды комбинационных составляющих.
Примечание: в первом столбце указаны значения частот гармонических колебаний, которые умножаются сами на себя. В соответствующей строке приведен результат умножения - амплитуды комбинационных составляющих