СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА СИГНАЛОВ С ОДНОВРЕМЕННОЙ АМПЛИТУДНОЙ И ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ Российский патент 1994 года по МПК H04B7/00 

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в системах передачи информации.

Известна система для передачи и приема сигналов с одновременной амплитудой и частотной модуляцией, которая содержит генератор несущих колебаний, два частотных и два амплитудных модулятора, два синусных и два косинусных преобразователя, амплитудный и частотный детекторы, сумматор, генератор опорных колебаний, два фазовращателя, два фазовых детектора, два фильтра нижних частот. В этом устройстве более низкое качество передачи сообщений вызвано в основном некачественной работой частотного детектора, в котором происходит детектирование модуляции сигнала. Паразитное детектирование амплитудной модуляции реальным частотным детектором приводит к значительному ухудшению разделения передаваемых сообщений. Диапазон рабочих частот ограничивается апертурой частотного дискриминатора.

Цель изобретения - расширение диапазона несущих частот при передаче и приеме двух сообщений в одном частотном канале с полностью перекрывающимися спектрами сообщений.

Для этого в устройство, содержащее генератор несущих колебаний, два частотных (фазовых) и два амплитудных модулятора, два синусных и два косинусных преобразователя, амплитудный и частотный (фазовый) детекторы, сумматор, генератор опорных колебаний, два переменных фазовращателя, один фазовращатель на девяносто градусов, два фазовых детектора, два фильтра нижних частот, введены передающая антенна, приемная антенна, преселектор, два смесителя, первый усилитель промежуточной частоты, второй усилитель промежуточной частоты с автоматической регулировкой усилителя, усилитель-ограничитель, четвертый усилитель промежуточной частоты, синтезатор сетки частот, причем входы первых синусного и косинусного преобразователей соединены параллельно, входы вторых синусного и косинусного преобразователей соединены также параллельно, выход первого косинусного преобразователя подключен к входу первого амплитудного модулятора, к второму входу которого подключен генератор несущей частоты, к выходу первого амплитудного модулятора подключен вход второго частотного модулятора, к второму входу которого подключен выход второго синусного преобразователя, выход второго частотного модулятора подключен к входу первого частотного модулятора, к второму входу которого подключен выход первого синусного преобразователя, выход первого частотного модулятора подключен к первому входу второго амплитудного модулятора, к второму входу которого подключен выход второго косинусного преобразователя, выход второго амплитудного модулятора через передающую антенну и внешнюю среду подключен к приемной антенне, подключенной к входу преселектора, выход которого подключен к входу первого смесителя, на второй вход которого подключен первый выход синтезатора сетки частот, выход первого смесителя подключен к входу усилителя промежуточной частоты, выход которого подключен к первому входу второго смесителя, к второму входу которого подключен второй выход синтезатора сетки частот, выход второго смесителя подключен к входу усилителя второй промежуточной частоты с АРУ, к выходу которого параллельно подключен усилитель-ограничитель и четвертый усилитель промежуточной частоты, выход усилителя-ограничителя подключен к входу частотного (фазового) детектора, выход четвертого УПЧ подключен к входу амплитудного детектора, выход которого подключен к входу первого перемножителя, к второму входу которого через фазовращатель на девяносто градусов подключен выход второго генератора, который параллельно подключен к второму входу второго перемножителя, первый вход которого подключен к выходу частотного детектора, выходы первого и второго перемножителей подключены к первому и второму входам сумматора, первые входы второго и третьего фазовых детекторов подключены к выходу сумматора, входы двух переменных фазовращателей параллельно соединены с выходом генератора опорных колебаний, выход первого фазовращателя соединен с вторым входом второго фазового детектора, выход второго фазовращателя соединен с вторым входом третьего фазового детектора, выходы второго и третьего фазовых детекторов соединены с входами первого и второго фильтра нижних частот, выходы которых являются выходами устройства.

На чертеже изображена структурная схема предложенного устройства.

Система для передачи и приема сигналов с одновременной амплитудой и частотной модуляцией содержит источник сигнала 1, частотный модулятор (ЧМ) 2, амплитудный модулятор (АМ) 3, частотный детектор (ЧД) 4, амплитудный детектор (АД) 5, сумматор 6, синусный преобразователь 7, косинусный преобразователь 8, генератор 9, перемножители 10, 11, фазовращатель на девяносто градусов 12, фазовый детектор 13, синусный преобразователь 14, косинусный преобразователь 15, амплитудный модулятор 16, частотный модулятор 17, переменные фазовращатели 18 и 19, фильтры нижних частот 20 и 21, фазовый детектор 22, передающую антенну 23, среду распространения радиоволн 24, приемную антенну 25, преселектор 26, первый смеситель 27, первый усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 28, второй смеситель 29, усилитель промежуточной частоты с автоматической регулировкой усиления (АРУ) 30, синтезатор сетки частот 31, третий УПЧ 32 с ограничителем, четвертый усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 33.

Система связи работает следующим образом.

Колебание генератора 1 после модуляции по амплитуде и частоте двумя сообщениями модуляторами 2, 3, 16, 17 подаются на передающую антенну 23. Сигнал излучается во внешнее пространство и принимается приемной антенной 25. Излучаемый сигнал может иметь любую несущую частоту. После предварительной селекции преселектором 26, переноса на первую промежуточную частоту смесителем 27, усиления первым УПЧ 28 и переноса на вторую промежуточную смесителем 29, усиления усилителем с АРУ 30, сигнал на второй ПЧ разделяется на два сигнала. Первый поступает на усилитель-ограничитель 32, второй - на четвертый 33 и далее на частотный детектор 4 и амплитудный детектор 5. Далее устройством, состоящим из блоков 6,9,10,11,12,13,18,19,20,21, производится разделение двух сообщений, которые входят в выходные сигналы частотного 4 и амплитудного 5 детекторов в виде линейной комбинации или взвешенной суммы.

Ограничитель 32 устраняет амплитудную модуляцию сигнала на входе частотного (фазового) детектора 4, что позволяет избежать выделение амплитудной модуляции на его выходе.

Будет полагать, что уровень амплитудных и фазовых флуктуаций немодулированного колебания определяется действием естественных шумов генератора 1 и является небольшим, т.е. среднеквадратические отклонения паразитной амплитудой и фазовой модуляции намного меньше единицы. Сигналы на выходе антенны 25 при амплитудно-частотной модуляции (АЧМ) двумя сообщениями имеет вид
tMos[ω₀t+, (1) где А_о - средняя амплитуда;
α(t)- флуктуации амплитуды;
М₁ - индекс амплитудной модуляции первым сообщением;
М₂ - индекс амплитудной модуляции вторым сообщением;
ω_о- средняя частота;
β₁- девиация частоты при модуляции по частоте первым сообщением;
β₂- девиация частоты при модуляции по частоте вторым сообщением;
ϕ(t)- флуктуации фазы сигнала.

Этот же сигнал при модуляции двумя сообщениями по амплитуде и по фазе (АФМ) имеет вид
S₂(t)= A_о[1+α(t)+M₁ X₁(t)+M₂ X₂(t)]cos[ω_о t+m₁ X₁(t)+ +m₂ X₂(t)+ϕ(t)] , (2) где m₁ - индекс модуляции по фазе первым сообщением х₁(t);
m₂ - индекс модуляции по фазе вторым сообщением х₂(t).

Несущая частота сигнала может принимать любые значения в пределах рабочего диапазона частот. Запишем первый сигнал синтезатора сетки частот (ССЧ) в следующем виде: U_1ccч(t)=U₀₁[1+α₁(t)]cos[ω₀₁ t+ϕ₁(t)+ϕ₀₁] , (3) где U₀₁ - средняя амплитуда;
α₁(t) - флуктуации амплитуды;
ω₀₁- средняя частота;
ϕ₁(t)- флуктуации фазы;
ϕ₀₁- начальный фазовый сдвиг колебания синтезатора. Этот сигнал подается в качестве опорного колебания на первый смеситель 27.

Опорное колебание на второй смеситель 29, подаваемое с ССЧ имеет вид U_2ccч(t)=U₀₂[1+α₂(t)]cos[ω₀₂ t+ϕ₂(t)+ϕ₀₂] , (4) Причем
((t)-ϕ₂(t)(t), (t)
Двойное преобразование частоты позволяет существенно повысить и избирательность приемника в широком диапазоне рабочих частот, а также в некоторых случаях частично компенсировать фазовые шумы колебаний синтезатора сетки частот. Компенсация возможна в случае, если первому и второму сигналам ССЧ навязываются одни и те же фазовые шумы, которые при двукратном преобразовании можно вычесть.

Пусть смесители эквивалентны перемножителям с коэффициентом передачи К_см. На выходе первого УПЧ 28 при АЧМ будем иметь
(5) В случае использования сигнала с АФМ тот же сигнал имеет вид
(6) Здесь предполагается, что знак "-" в соотношениях соответствует настройке фильтра первой промежуточной частоты на разностную частоту, а знак "+" - настройке фильтра первого УПЧ на суммарную частоту, т.е. ω_пч1=ω₀ ± ω₀₁После второго УПЧ 30 для АЧМ будем иметь
. (7) Этот же сигнал для АФМ имеет вид
(8) Знак "+" соответствует настройке фильтра второй промежуточной частоты на суммарную частоту (верхняя настройка), а знак "-" соответствует настройке этого фильтра на разностную частоту входного сигнала смесителя и второго колебания синтезатора, т. е. ω_пч2= ω_пч1±ω₀₂.Допустим, что ограничитель в третьем УПЧ 32 обеспечивает идеальное ограничение сигнала. Тогда для АЧМ на выходе усилителя-ограничителя 32 будем иметь
(o(t)+β₁X₁(t)dt+ (9) Тот же сигнал для АФМ имеет вид
()t + m₁x₁(t)+ (10) Разность (t)= (t)-ϕ₂(t)≪ ϕ₁(t), ϕ₂(t). Это показывает возможность компенсации фазового шума синтезатора, если оба его колебания имеют идентичные или близкие фазовые шумы при использовании двойного преобразования частоты. Если сформировать колебания (3), (4) с идентичными шумами не удается, то необходимо иметь малый фазовый шум колебаний ССЧ. В соотношениях (9), (10) отсутствует амплитудная модуляция сообщениями и помехами. Реальный ограничитель не может обеспечить полное подавление амплитудной модуляции. В экспериментах достигалась компенсация амплитудной модуляции в ограничителе на второй промежуточной частоте 40-45 дБ. Вторая промежуточная частота составляла 10,7 МГц. Степень компенсации оценивалась по выходному сигналу частотного (фазового) детектора.

Сигнал на выходе частотного дискриминатора 4 с крутизной дискриминационной характеристики К₄ при АЧМ можно представить соотношением
(P)Φ₂(P)X₁(t)+β₂X₂(t)+ (11) Тот же сигнал при фазовом детектировании и АФМ можно представить в виде
Y(t)= (P)Φ₂(P){m₁X₁(t)+m₂X₂(t)+ϕ(t)+Δϕ(t)} (12) Из соотношений (11) и (12) видно, что при АЧМ и АФМ выходной сигнал частотного (фазового) дискриминатора 4 имеет один и тот же вид. На выходе амплитудного детектора 5 с коэффициентом передачи К₅ сигнал имеет вид
(P)Φ_упч2(P){ 1+α(t)+α₁(t)+ (13) В выражении (13) отсутствуют составляющие сообщений, обусловленные частотной (фазовой) модуляцией сигнала. В реальных условиях работы супергетеродинного приемника это удается достигнуть не всегда. Если выбрать полосы УПЧ не достаточно широкими, то будет иметь место преобразование частотной (фазовой) модуляции в амплитудную на скатах фильтра промежуточной частоты и последующее выделение ее в амплитудном детекторе. Для того, чтобы избежать этого нежелательного эффекта следует расширить полосу пропускания фильтра промежуточной частоты. Так в экспериментах использование полосы пропускания 250 КГц второй ПЧ 10,7 МГц позволило уменьшить влияние этого фактора на 45-50 дБ.

Для упрощения анализа считаем, что
= =1 Нормировка среднего значения амплитуды достигается с помощью автоматической регулировки усиления во втором УПЧ 30. Допустим, что фильтры УПЧ1-УПЧ4, а также фильтры на выходах частотного (фазового) и амплитудного детекторов 4,5 не искажают амплитудный и фазовый спектр сообщений х₁(t) и х₂(t). С учетом указанных допущений сигналы на выходах ЧД (ФД) и АД можно представить в виде
Y₄(t)=β₁X₁(t)+β₂X₂(t)+ + [Δϕ(t)]
Y₄^I(t)= m₁ x₁(t)+m₂ x₂(t)+ϕ(t)+Δ ϕ(t) Y₅(t)= 1+α(t)+α₁(t)+α₂(t)+M₁ X₁(t)+M₂ X₂(t) (14) Обозначим Ψ- угол поворота фазы на выходе фазовращателя 18 (или 19), для АЧМ: Φ₁=arctg, Φ₂=arctg, для АФМ:Φ₁=arctg, Φ₂=arctg.

С учетом выражений (1) - (14) после фильтрации на выходе получим выражение для сигнала при АЧМ
c. (15) при АФМ
(16) Регулировкой фазовращателя 18 можно добиться условия:
ϑ= - Φ₂± Тогда при АЧМ
[α(t)+ (17) при АФМ
)± sinΦ₂[α(t)+ (18) т.е. скомпенсируются составляющие сообщения х₂(t). Аналогично регулировкой фазовращателя 19 на втором выходе можно скомпенсировать составляющие сообщения х₁(t). Однако такая компенсация сообщений х₁(t) и x₂(t) возможна при условии Ф1≠Ф₂ или при АЧМ ≠ ,при АФМ: ≠ .

Устройство было экспериментально проверено в диапазоне рабочих частот 10 - 1000 МГц при использовании в своем составе приемника "Минилок" ФРГ, показало свою работоспособность и высокие технические характеристики.

Таким образом включение дополнительно блоков 23-33 дает этому устройству новое свойство, которое заключается в возможности передачи и приема двух сообщений одновременно с помощью неортогональных методов модуляции в одном частотном канале при изменении частоты несущего колебания в широких пределах.

Использование: радиотехника. Сущность изобретения: система содержит источник сигнала 1, частотные модуляторы 2, 17, амплитудные модуляторы 3, 16, частотный детектор 4, амплитудный детектор 5, сумматор 6, амплитудные преобразователи 7, 14, косинусные преобразователи 8, 15, генератор 9, перемножители 10, 11, фазовращатель 12, фазовые детекторы 13, 22, переменные фазовращатели 18, 19, фильтры нижних частот 20, 21, преселектор 26, смесители 27, 29, усилители промежуточной частоты 28, 30, 32, 33, синтезатор сетки частот 31. 1 ил.

СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА СИГНАЛОВ С ОДНОВРЕМЕННОЙ АМПЛИТУДНОЙ И ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ, содержащая на передающей стороне генератор несущей частоты, выход которого соединен с первым входом первого частотного модулятора, первый амплитудный модулятор, первый синусный преобразователь и первый косинусный преобразователь, входы которых объединены и являются первым сигнальным входом, а выходы соединены с вторым входом первого частотного модулятора и первым входом первого амплитудного модулятора соответственно, второй синусный преобразователь и второй косинусный преобразователь, входы которых объединены и являются вторым сигнальным входом, второй амплитудный модулятор и второй частотный модулятор, причем первый вход первого частотного модулятора соединен с выходом первого частотного модулятора, а первый вход второго амплитудного модулятора соединен с выходом первого амплитудного модулятора, выход второго частотного модулятора соединен с вторым входом первого амплитудного модулятора, выходы второго синусного преобразователя и косинусного преобразователя соединены с вторыми входами второго частотного модулятора и второго амплитудного модулятора соответственно, а на приемной стороне - амплитудный детектор и частотный детектор, сумматор, генератор опорных колебаний, два перемножителя, первый фазовращатель и первый фазовый детектор, причем выход генератора опорных колебаний соединен с первым входом первого перемножителя, а через фазовращатель на 90^o - с первым входом второго перемножителя, второй вход первого перемножителя соединен с выходом частотного детектора, а второй вход второго перемножителя соединен с выходом амплитудного детектора, выходы первого и второго перемножителей соединены с входами сумматора, выход которого соединен с входами первого и второго фазовых детекторов, выходы которых соединены с входами соответствующих фильтров нижних частот, выходы которых являются соответственно первым и вторым входами приемной стороны, выход генератора опорных колебаний через первый подстраиваемый фазовращатель соединен с опорным входом первого фазового детектора, а через второй подстраиваемый фазовращатель - с опорным входом второго фазового детектора, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения расширения диапазона несущей частоты при передаче и приеме двух сигналов в одном частотном канале с полностью перекрывающимися спектрами сообщений, на передающей стороне введен высокочастотный тракт, вход которого соединен с выходом второго амплитудного модулятора, а на приемной стороне введены синтезатор сетки частот и последовательно соединенные приемная антенна, преселектор, первый смеситель, усилитель первой промежуточной частоты , второй смеситель и усилитель второй промежуточной частоты, а также усилитель-ограничитель и второй усилитель второй промежуточной частоты, входы которых объединены и соединены с выходом первого усилителя второй промежуточной частоты, выход усилителя-ограничителя соединен с входом частотного детектора, а выход второго усилителя второй промежуточной частоты соединен с входом амплитудного детектора, выходы синтезатора сетки частот соединены с вторыми входами первого и второго смесителей.