ДЕТЕКТОР ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ
DETECTOR OF FREQUENCY-MODULATED OSCILLATIONS

Изобретение относится к области приема сигналов с частотной модуляции (ЧМ) железнодорожной радиосвязи.
Известны частотные детекторы на расстроенных контурах, описанные в различных источниках, в том числе в:
1. Патент РФ на полезную модель №150153. Детектор частотно-модулированных колебаний / А.А. Волков, М.А. Лаптев, В.А. Кузюков. Приоритет от 16.05.2014.
2. Радиоприемные устройства / Под редакцией проф. Н.Н. Фомина. - М.: Радио и связь, 1996. - С. 329-336.
3. Кантор Л.Я. и Дорофеев В.М. Помехоустойчивость приема ЧМ сигналов. - М.: «Связь», 1977. - С. 43.
По технической сущности наиболее близким к данному изобретению является детектор, описанный в первом источнике, который по этой причине и принимается за его прототип. В остальных источниках описаны его аналоги.
Прототип состоит из последнего каскада УПЧ приемника, трансформатора, параллельного колебательного LC-контура, двух диодов, двух параллельных RC-цепочек, причем трансформатор включен на входе УПЧ, параллельный LC-колебательный контур индуктивно связан с нагрузкой УПЧ и расстроен относительно промежуточной частоты входного сигнала; один конец контура соединен с другим его концом через последовательно включенные первый диод, первую RC-цепочку, вторую RC-цепочку, второй диод, встречно включенный первому, точка соединения второй RC-цепочки и второго диода заземлена; средняя точка катушки индуктивности LC-контура соединена с точкой соединения двух RC-цепочек через вторичную обмотку трансформатора.
С выхода УПЧ ЧМ сигнал поступает в расстроенный LC-колебательный контур, где он преобразуется в амплитудно-модулированный (AM) сигнал, у которого несущим колебанием является ЧМ сигнал, т.е. преобразуется в АЧМ сигнал. Последний поступает на информационный вход двухтактного диодного перемножителя, на опорный вход которого подается ЧМ колебание со вторичной обмотки трансформатора. С выхода перемножителя сигнал поступает на ФНЧ, функцию которого выполняют две последовательно включенные RC-цепочки. Данный перемножитель с ФНЧ на его выходе представляет собой когерентный детектор, который является линейным, исключающим порог ЧМ. Кроме того, при когерентном детектировании исключается квадратурная составляющая помехи, отчего мощность помехи уменьшается в среднем в два раза, если в опорном канале отсутствуют помехи. Однако в прототипе фильтрация помех в опорном канале отсутствует, что снижает помехоустойчивость приема сигналов. Кроме того, мал линейный участок АЧХ одиночного расстроенного контура, двухтактный перемножитель сигналов не обеспечивает наилучшей фильтрацией гармоник.
Основным недостатком прототипа является пониженная помехоустойчивость когерентного приема из-за отсутствия фильтрации его опорного колебания, а также мал линейный участок АЧХ контура для преобразования ЧМ в АЧМ, что может быть причиной дополнительных нелинейных искажений.
Техническим результатом изобретения является увеличение помехоустойчивости приема ЧМ сигналов, увеличение линейного участка амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в 3 раза, улучшение фильтрации гармоник.
пр
пр
пр
Сущность изобретения состоит в том, что в когерентный детектор частотно-модулированных (ЧМ) колебаний, состоящий из последнего каскада УПЧ приемника, колебательного параллельного LC-контура, двух диодов, двух параллельных RC-цепочек, трансформатора, причем колебательный LC-контур индуктивно связан с нагрузкой УПЧ и расстроен относительно промежуточной частоты ω входного сигнала, а один конец контура соединен с другим его концом через последовательно включенные первый диод, первую RC-цепочку, вторую RC-цепочку, второй конец которой заземлен и соединен со вторым диодом, встречно включенным первому диоду; трансформатор включен на входе УПЧ, а один конец его вторичной обмотки подключен к точке соединения между собой двух RC-цепочек, дополнительно введены второй параллельный колебательный LC-контур, варикап, два конденсатора, два диода, дроссель и новые связи, причем два диода соединены последовательно с двумя имеющимися диодами, образуя кольцевой балансный перемножитель (КБП) сигналов; оба контура соединены последовательно и противофазно между собой, индуктивно связаны с нагрузкой УПЧ, симметрично расстроены относительно ω так, чтобы линейный участок их результирующей АЧХ был бы максимально возможным; выходы обоих контуров подключены к информационному входу КБП, а к точке их соединения подключен второй конец вторичной обмотки трансформатора; один конденсатор подключен параллельно первичной обмотке трансформатора, образуя LC-контур, настроенный в резонанс на ω, а через второй конденсатор подключен варикап параллельно данному контуру и точка их соединения подключена через дроссель к входу первой RC-цепи, являющейся выходом всего детектора; LC-контур с варикапом, выполненный на трансформаторе с указанными связями, является следящим фильтром в когерентном детекторе ЧМ сигналов.
Существенным отличием изобретения являются введенные элементы и их связи, так как только они позволяют повысить помехоустойчивость приема ЧМ сигнала, уменьшить его нелинейные искажения при отсутствии порога.
Введенные элементы: следящий фильтр ЧМ сигнала, второй расстроенный LC колебательный контур, кольцевой балансный перемножитель (КБП).
Изобретение иллюстрируется чертежами.
1
1
2
2
На фиг. 1 представлена структурная схема частотного детектора на расстроенных контурах, где обозначено: 1 - следящий фильтр, 2 - УПЧ, 3 - преобразователь ЧМ в АЧМ, 4 - перемножитель сигналов, 5 - ФНЧ. Блоки 4 и 5 образуют когерентный детектор АЧМ сигналов. Введенные элементы обведены пунктирной линией. На фиг. 2 представлена принципиальная схема когерентного частотного демодулятора на расстроенных контурах, а на фиг. 3 - амплитудно-частотные (АЧХ) и временные характеристики, поясняющие его работу. На фиг. 2 последний каскад УПЧ выполнен на транзисторе VT, в базовую цепь которого включен введенный следящий фильтр (СФ) [2]. Нагрузочный контур УПЧ в коллекторной цепи транзистора, настроенный в резонанс на частоту входного сигнала, индуктивно связан с расстроенными контурами LC и LC, к выходам которых подключен кольцевой диодный перемножитель сигналов (КБП) с ФНЧ на его выходе в виде двух RC-цепочек, включенных последовательно. К точке соединения контуров одним концом подключена вторичная обмотка следящего фильтра, а другим концом - к точке соединения RC-цепей. В этом случае кольцевой диодный перемножитель с ФНЧ является когерентным детектором, исключающим на своем выходе квадратурную составляющую помехи, отчего мощность помех уменьшается в 2 раза. Кроме того, такой когерентный детектор обладает минимумом нелинейных искажений, наилучшей фильтрацией высокочастотных составляющих, отсутствием порога при приеме ЧМ сигналов.
Работа схемы происходит следующим образом.
ЧМ
m
пр
пр
AЧМ
m
пр
Частотно-модулированный (ЧМ) сигнал u(t)=Ucos[ωt+mcosΩt], где m - индекс ЧМ, поступает на вход УПЧ, к которому параллельно подключен согласованный фильтр СФ. С выхода УПЧ усиленный ЧМ сигнал поступает в оба контура, индуктивно связанные с нагрузкой УПЧ и последовательно включенные между собой. Контура противофазны между собой и симметрично расстроены относительно промежуточной частоты ω и так, чтобы обеспечить максимальный линейный участок совместной АЧХ, который больше в 3 раза максимального линейного участка одиночного расстроенного контура. Это снижает нелинейные искажения при увеличении девиации ЧМ. В АЧХ обоих контуров ЧМ сигнал преобразуется в амплитудно-модулированный (AM) сигнал, несущим колебанием которого является исходный ЧМ сигнал, т.е. в АЧХ ЧМ сигнал преобразуется в АЧМ сигнал, как показано на фиг. 3а. Аналитически АЧМ сигнал имеет вид: u(t)=U[1+МcosΩt]cos[ωt+mcosΩt], где М - глубина AM. Этот АЧМ сигнал поступает на информационный вход диодного кольцевого балансного перемножителя (КБП), на опорный вход которого подается ЧМ колебание со вторичной обмотки СФ. На выходе КБП имеет место колебание:
др
пр
пр
в
Видно, что на выходе КБП в качестве в.ч. колебания является вторая гармоника ЧМ сигнала, в то время как на выходе двухтактного перемножителя имеет место первая гармоника ЧМ сигнала. Вторая гармоника легче отфильтровывается ФНЧ в виде двух RC-цепочек, пропускающих на свой выход только первое слагаемое, т.е. переданный PC. С выхода ФНЧ PC поступает на усилители и параллельно через дроссель Др на варикап СФ. Сопротивление дросселя Х=ΩL мало для звуковой частоты и велико для промежуточной частоты ω входного ЧМ сигнала и поэтому последний не проходит на выход ФНЧ. Согласованный фильтр СФ перестраивается на меняющуюся частоту ω входного ЧМ сигнала с помощью продетектированного речевого сигнала (PC), поступающего на варикап С, пропуская на свой вход только активный спектр ЧМ сигнала, ширина которого меньше полосы пропускания приемника. Тем самым уменьшается уровень помех и в опорном канале КБП, и в информационном его канале, отчего возрастает помехоустойчивость приема и отсутствует порог ЧМ.
Технико-экономическим эффектом ПМ является повышение помехоустойчивости когерентного приема ЧМ сигнала за счет введенного СФ, уменьшение нелинейных искажений за счет введенного второго расстроенного каскада и двух введенных диодов, преобразующих двухтактный в кольцевой перемножитель сигналов.