СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ФАЗОМОДУЛИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ
METHOD OF DETECTING PHASE-MODULATED OSCILLATIONS

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах обработки сигналов, устройствах и приборах измерения сдвига фаз между исследуемым и опорным колебанием.
1
1
Известен способ детектирования (демодуляции) фазомодулированных (ФМ) колебаний ( ФМ колебание - есть высокочастотное вторичное колебание, фаза которого прямо пропорциональна закону изменения первичного сигнала.) (Теория электрической связи: Учебник для Вузов / А.Г.Зюко, Д.Д.Кловский, В.И.Коржик, М.В.Назаров; Под ред. Д.Д.Кловского. - М.: Радио и связь, 1998. - 432 с., 204 ил.), сущность которого заключается в том, что вначале в преобразователе вида модуляции изменение начальной фазы принимаемого высокочастотного ФМ колебания преобразуют в колебания амплитудной модуляции, амплитуда которых изменяется по закону модулирующего напряжения (первичного сигнала), а затем детектируют с помощью обычного дифференцированного детектора (как правило, два встречно включенных амплитудных детектора).
Данный способ детектирования имеет ряд недостатков, а именно наличие нелинейных искажений сигналов, которые обуславливаются характеристиками двух основных элементов фазового детектора - преобразователя вида модуляции и дифференциального амплитудного детектора.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому способу детектирования ФМ является способ, описанный в книге «Теория электрической связи» (Учебник для Вузов / А.Г.Зюко, Д.Д.Кловский, В.И.Коржик, М.В.Назаров; Под ред. Д.Д.Кловского. - М.: Радио и связь, 1998. - 432 с.; 204 ил.).
Данный способ-прототип синхронного (параметрического) детектирования ФМ колебаний предусматривает сравнение входного и опорного колебания перемножения их с последующим выделением первичного сигнала фильтром низких частот.
Недостатки данного способа детектирования ФМ колебаний определяются недостатками перемножителя (нелинейного элемента), а именно наличие искажений формы первичного сигнала и побочных продуктов преобразования, что предъявляет высокие требования к фильтрации; детектирование ФМ колебаний только определенной фиксированной частоты, равной опорной. То есть данный способ имеет ограниченные возможности по детектированию колебаний в широком диапазоне частот без изменения внутренних параметров устройства детектирования.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа детектирования ФМ колебаний, реализация которого позволит расширить диапазон рабочих частот и уменьшить искажения формы первичного сигнала, выделяемого в результате детектирования ФМ колебания.
Поставленная задача решается при помощи предлагаемого способа детектирования ФМ колебаний, сущность которого сводится к следующему.
Известно тригонометрическое выражение (Таблицы интегралов и другие математические формулы: Справочник / Г.Б.Двайт. - М.: Наука, 1997, стр.101, формула 480.2)
а для переменной х=ωt+φ, для которой dx=ωdt выражение (1) имеет вид
Для фазы φ=0 данное выражение имеет вид
При этом выражение для разности фаз двух сигналов (2) и (3)
2
2
ω∫tg(ωt+φ)dt-ω∫tg(ωt)dt=tg(ωt+φ)-tg(ωt)-φ,
т.е.
Следовательно, выражение (4) позволяет выделить фазу неизвестного колебания путем сравнения с опорным колебанием на основе линейных операций.
Рассмотрим реализацию выражения (4). Для этого выберем в качестве исследуемого колебания гармоническое колебание следующего вида:
вхφ
0
u(t)=Аsin(ωt+φ(t)),
где ω - циклическая частота входного колебания, ω=const;
0
0
A - некоторый коэффициент, пропорциональный амплитуде входного колебания А=const;
φ(t) - фаза измеряемого колебания.
вхφ
При этом следует отметить, что в данном выражении выделяемая фаза φ(t) является управляемым информационным сообщением, что и определяет модуляцию. Несущая частота модулированного сигнала в соответствии с требованиями модуляции должна быть, как минимум, на порядок больше изменения информационного сообщения. Поэтому входной сигнал u(t) при анализе можно рассмотреть в виде
где φ - фиксированное значение детектируемой фазы.
Фиксированное значение детектируемой фазы в процессе ее детектирования исключает дополнительные динамические погрешности детектирования.
Проведем линейные операции над входным исследуемым колебанием синусоидальной формы (5) путем его одновременного дифференцирования, интегрирования и умножения самого на себя. При этом получим:
Перемножив выражение (6) на выражение (7) получим
Разделив результат, полученный в выражении (8) на результат выражения (9), получим величину, пропорциональную квадрату тангенса аргумента входного сигнала
При этом
Разделив выражение для входного сигнала (5) на результат его дифференцирования - выражение (6), получим
Аналогичные операции можно проделать и с опорным сигналом. Формальное отличие полученных выражений будет заключаться в отсутствие индексов φ, что соответствует опорному сигналу с нулевой фазой φ=0.
Для получения результатов в окончательном виде в соответствии с выражением (4), соответствующими слагаемыми, полученными в выражениях (11) и (12), как для исследуемого, так и для опорного сигнала, учтем инверсии этих сигналов, которые легко реализуются операцией вычитания, и получим
φ
где u(t) - величина напряжения, пропорциональная сдвигу фазы между исследуемым и опорным сигналами, соответствующая левой части выражения (4).
Таким образом, реализовав выражение (13), получим на выходе напряжение, пропорциональное изменению фазы. Причем коэффициент пропорциональности k определяется не только частотой детектируемого колебания, но и постоянными применяемых дифференциаторов и интеграторов. Данный коэффициент может быть учтен на окончательном этапе полученного результата путем задания соответствующего коэффициента усиления вычитателя.
Преобразовав ФМ колебание в соответствии с математическими операциями (6)-(13), получим постоянное напряжение, величина которого пропорциональна изменению фазы входного ФМ колебания. Следовательно, данный способ обработки ФМ колебаний - есть способ их детектирования.
Отличительным признаком предложенного способа детектирования ФМ колебаний является то, что обработка ФМ сигнала с целью его детектирования осуществляется в соответствии с математическими операциями линейного характера, что предопределяет высокую точность и минимум искажений при детектировании ФМ колебаний.
Способ детектирования фазомодулированных колебаний, при котором сравнивают результаты, полученные в каналах обработки основного и опорного синусоидальных сигналов, заключающийся в том, что вначале входное колебание в канале одновременно дифференцируют, интегрируют и умножают само на себя, а затем, взяв отношение напряжения последнего сигнала к напряжению, которое получают путем перемножения проинтегрированного и продифференцированного сигналов, интегрируют полученный результат отношения и объединяют сигналы с сигналом, который получают путем инвертирования отношения входного сигнала на его дифференцированное значение, результат объединения является выходным напряжением соответствующего канала, а сравнение выходных напряжений каналов осуществляют как разность соответствующих напряжений, которая пропорциональна изменению фазы входного фазомодулированного колебания, т.е. закону изменения первичного сообщения. Данный способ детектирования может быть реализован как программным путем на базе микропроцессоров, так и в аппаратном виде.
Устройство, реализующее заявляемый способ детектирования представлено на чертеже, каждый канал обработки сигналов содержит два умножителя 1, 2, два делителя 3, 4, два интегратора 5, 6, дифференциатор 7, сумматор 8 и инвертор 9. Кроме того, каждый канал имеет устройство задержки сигналов 10, предназначенное для синхронной обработки сигналов в параллельных каналах. Общим для двух каналов является вычитатель 11. Вход каждого канала обработки соединен с обоими входами первого умножителя 1, со входом первого интегратора 5, входом дифференциатора 7 и первым входом первого делителя 3. Выходы первого интегратора 5 и дифференциатора 7 соединены со входом второго умножителя 2. Выход первого умножителя 1 через элемент задержки сигналов 10, а второго 2 непосредственно соединены со входами второго делителя 4, выход которого через второй интегратор 6 соединен к первому входу сумматора 8, ко второму входу которого через инвертор 9 подключен выход первого делителя напряжения 3, второй вход которого соединен с выходом дифференциатора и вторым входом умножителя 2. Выход сумматора 8 является выходом канала формирователя фазы.
Выходы каналов обработки основного и опорного сигналов подключаются к соответствующим входам вычитателя 11, вход которого является выходом фазового детектора.
Заявляемый способ детектирования реализуется следующим образом.
Входное синусоидальное ФМ колебание одновременно перемножается в первом умножителе 1, интегрируется в интеграторе 5 и дифференцируется в дифференциаторе 7. Затем выходные напряжения интегратора 5 и дифференциатора 7 перемножаются на втором умножителе 2. Взяв отношение в делителе 4 напряжения с выхода первого умножителя, задержанное напряжение задержки сигнала 10, к напряжению с выхода второго умножителя 2, получим напряжение, пропорциональное квадрату тангенса от аргумента входного сигнала, которое после интегрирования на втором интеграторе 6 поступает на первый вход сумматора 8.
Одновременно на второй вход сумматора 8 после инвертирования в инверторе 9 поступает напряжение с входа второго делителя напряжения 3, полученное путем отношения входного сигнала к напряжению с выхода дифференциатора 7. Просуммированное на сумматоре 8 напряжение является выходным напряжением соответствующего канала обработки сигнала.
0
Аналогично в канале опорного сигнала формируется выходное напряжение опорного сигнала Аsinωt.
Вычтя из напряжения на выходе основного канала напряжения на выходе опорного канала получаем на выходе вычитателя 11 напряжение, величина которого пропорциональна фазовому сдвигу между ФМ и опорным колебанием.
Таким образом, преобразовав ФМ колебание в соответствии с математическими операциями (1)÷(4), получим постоянное напряжение, величина которого пропорциональна изменению фазы входного ФМ колебания. Следовательно, данный способ обработки ФМ колебаний - есть способ их детектирования, и выражение (4) позволяет осуществить схемную реализацию прямого метода детектирования фазы.
0
Достоинством данного способа является возможность детектирования ФМ колебаний в широком диапазоне частот, практически без ограничения величины девиации фазы. Кроме того, данный способ детектирования инвариантен к паразитной амплитудной модуляции ФМ колебаний (изменению коэффициента А) (см. выражение 13) и может быть реализован как на базе аналоговых устройств, так и в виде программ на ЭВМ.