ГЕНЕРАТОР НЕСУЩИХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1998 года по МПК G06G7/26 

Изобретение относится к аналоговой технике и может быть использовано в радиотехнической и связной аппаратуре для генерирования сложных колебаний, являющихся переносчиками канальных сообщений в многоканальных системах передачи информации, т.е. к классу генераторов несущих колебаний.

Известен генератор несущих колебаний (ГНК), содержащий генератор тактовых импульсов, каналы формирования функций, генератор колоколообразных импульсов, источник опорного напряжения, первый умножитель, интегратор, второй умножитель, умножители и сумматоры, элементы задержки, элементы ИЛИ [1].

Однако данный генератор имеет недостаток, заключающийся в малом повышении временной загрузки каналов формирования колебаний за счет использования дополнительных колебаний. Так, в семиканальном варианте устройство формирует восемь колебаний (временная загрузка каналов увеличивается на 14,29%), в десятиканальном - двенадцать колебаний (временная загрузка каналов увеличивается на 20%), а в шестнадцатиканальном - двадцать колебаний (временная загрузка каналов увеличивается на 25%). Для числа каналов n≤ 6 получить дополнительные колебания вообще невозможно по причине нарушения ортогональности формируемых колебаний малого порядка с формируемыми колебаниями большего порядка.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому генератору является ГНК [2], содержащий источник опорного напряжения, первый интегратор, блок умножения, второй интегратор, третий интегратор, инвертор, генератор тактовых импульсов, делитель частоты, триггер, дополнительный блок умножения, первый дополнительный интегратор, второй дополнительный интегратор и n каналов формирования несущих колебаний, каждый из которых содержит элемент задержки, ключ, дополнительный элемент задержки, дополнительный ключ и сумматор.

Источник опорного напряжения, блок умножения, первый, второй и третий интеграторы соединены последовательно, выход третьего интегратора через инвертор соединен с вторыми входами блока умножения и второго интегратора. Входы элементов задержки, являющиеся вторыми информационными входами каналов формирования колебаний, объединены и подключены к выходу третьего интегратора, а выходы подключены к первым входам соответствующих ключей, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих сумматоров каналов формирования колебаний.

К вторым входам ключей, являющихся вторыми управляющими входами каналов формирования колебаний, подключен прямой выход триггера, вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, подключенному также к входу делителя частоты, выход которого подключен к входам установки в нулевое состояние первого, второго и третьего интеграторов.

Первый вход блока умножения соединен с первым входом дополнительного блока умножения, выход которого соединен с первым информационным входом первого дополнительного интегратора, выход которого через второй дополнительный интегратор соединен в параллель со входами дополнительных элементов задержки, являющихся первыми информационными входами каналов формирования колебаний, со вторым информационным входом первого дополнительного интегратора и со вторым входом дополнительного блока умножения.

Входы сброса дополнительных интеграторов соединены с входами сброса интеграторов. Выходы дополнительных элементов задержки подключены к первым входам соответствующих дополнительных ключей каналов формирования колебаний, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих сумматоров. Управляющие входы дополнительных ключей, являющиеся первыми управляющими входами каналов формирования колебаний, соединены с инверсным выходом триггера. Выходы сумматоров являются выходами каналов генератора.

В данном генераторе обеспечивается принципиальная возможность получения дополнительных колебаний для малого числа каналов. Однако рассматриваемый генератор имеет серьезный недостаток: каналы, полученные с использованием сформированных им колебаний, неустойчивы при работе в линиях связи с нефиксированными параметрами, например, в тропосферных линиях связи. Это объясняется тем, что на временной оси соседние колебания генератора внутри отдельного канала имеют симметричный характер (см. фиг. 4), при этом имеет место нечетная симметрия (см. Алексеева В. Г. Расчет формы сигналов. -Л.: Энергия, 1968, с. 296). Таким образом, защитные временные интервалы, непосредственно прилегающие к отдельному несущему колебанию, не могут быть равными. Следовательно, в тропосферных линиях связи при приеме межимпульсная интерференция в пределах одного канала будет носить пульсирующий характер с периодом, равным 2h. Это не может не сказаться на качестве канала (будет проявляться в нем в виде пульсирующего эха). Такой канал будет особенно критичен к повышенным уровням сигнала в нем. Кроме того, известно, что при переменном шаге несущих импульсов значительно усложняется техническая реализация устройств, обеспечивающих синхронизацию приемника (см. Цыпкин Я.З. Теория линейных импульсных систем. -М.: Физматгиз, 1993, с. 968). Поэтому для устранения этого недостатка вводятся интервалы выключения описываемых колебаний, что существенно снижает показатели загрузки временных интервалов каналов формирования несущих колебаний.

Целью изобретения является разработка генератора несущих колебаний, обеспечивающего возможность повышения временной загрузки каналов формирования колебаний генератора.

Поставленная цель тем, что в известном генераторе несущих колебаний, содержащем источник опорного напряжения, первый, второй и третий интеграторы, блок умножения, инвертор, генератор тактовых импульсов, делитель частоты, триггер и n каналов формирования несущих колебаний, выходы которых являются выходами генератора, источник опорного напряжения, первый интегратор, блок умножения, второй и третий интеграторы соединены последовательно, выход третьего интегратора через инвертор соединен в параллель с вторым входом блока умножения и вторым информационным входом второго интегратора, информационные входы n каналов формирования несущих колебаний объединены и подключены к выходу третьего интегратора, а управляющие входы n каналов формирования несущих колебаний объединены и подключены к прямому выходу триггера, выход генератора тактовых импульсов подключены к входу триггера и в параллель через делитель частоты к входам установки нулевого состояния первого, второго и третьего интеграторов, каждый i-й (i-1,2,...,n) канал формирования несущих колебаний состоит из первого элемента задержки, ключа, второго элемента задержки и сумматора. Выход первого элемента задержки подключен к первому входу ключа, выход которого подключен в параллель к первому входу сумматора и входу второго элемента задержки, выход второго элемента задержки подключен к второму входу сумматора, выход сумматора является выходом канала формирования несущих колебаний, а вход первого элемента задержки и второй вход ключа являются соответственно информационным и управляющим входами канала формирования несущих колебаний.

Благодаря новой совокупности существенных признаков, заключающейся во введении новых связей между элементами генератора, удается исключить интервалы выключения формируемых колебаний и обеспечить повышение временной загрузки каналов формирования несущих колебаний. Заявляемое устройство позволяет получить существенное (двукратное) приращение временной загрузки каналов формирования несущих колебаний. При этом защитные временные интервалы между колебаниями будут иметь фиксированную величину, а межимпульсная интерференция в пределах одного канала при работе в линии с нефиксированными параметрами имеет квазистабильный характер, что позволяет применять известные методы борьбы с многолучевостью (см. Васильев М.Г., Волков Е.А., Чистяков А. П. Обоснование основных технических параметров перспективной техники многоканальной радиосвязи. -Л.: ВАС, 1991, с. 100), получая при этом прогнозируемый эффект от их использования.

На фиг. 1 приведена общая функциональная схема предлагаемого генератора несущих колебаний; на фиг. 2 - функциональная схема предлагаемого ГНК в трехканальном варианте (n-3); на фиг. 3, 4 - временные диаграммы, поясняющие работу заявленного устройства и прототипа;
Заявленное устройство, показанное на фиг. 1, состоит из источника опорного напряжения 1, первого интегратора 2, блока умножения 3, второго интегратора 4, третьего интегратора 5, инвертора 6, генератора тактовых импульсов 8, триггера 9, делителя частоты 10 и каналов формирования несущих колебаний 7₁-7_n, причем каждый i-й (i-1,2,...,n) канал формирования несущих колебаний состоит из первого элемента задержки 7_i.1, ключа 7_i.2, второго элемента задержки 7_i.3 и сумматора 7_i.4.

Выход источника опорного напряжения 1 соединен с первым входом первого интегратора 2, второй вход 2.2 первого интегратора 2 соединен с выходом делителя частоты 10, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов 8. Выход первого интегратора 2 соединен с первым входом 3.1 блока умножения 3, второй вход 3.2 которого соединен с выходом инвертора 6. Выход блока умножения 3 соединен с первым входом 4.1 второго интегратора 4, второй вход 4.2 которого соединен с выходом инвертора 6, а третий вход 4.3 соединен с выходом делителя частоты 10.

Выход второго интегратора 4 соединен с первым входом 5.1 третьего интегратора 5, второй вход которого 5.2 соединен с выходом делителя частоты 10. Выход третьего интегратора 5 соединен с входом инвертора 6 и входами элементов задержки 7₁. 1-7_n.1, которые являются входами каналов формирования несущих колебаний 7₁-7_n. Выходы элементов задержки 7₁.1-7_n.1 соединены соответственно с первыми входами ключей 7₁.2-7_n.2, вторые входы которых соединены с выходом триггера 9, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов 8. Выходы ключей соединены соответственно с входами элементов задержки 7₁. 3-7_n. 3 и первыми входами сумматоров 7₁.4-7_n.4, вторые входы которых соединены с выходами элементов задержки 7₁.3-7_n.3 соответственно.

Входящие в общую структуру генератора элементы общеизвестны и описаны в технической литературе. В книге "Микросхемы и их применение": Справ: пособие/ В. А. Батушев, В.Н.Вениаминов, В.Г.Ковалев, О.Н.Лебедев, А.И.Мирошниченко. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Радио и связь, 1984, описаны генератор тактовых импульсов - на с. 211 - 212, рис. 7.5; делитель частоты - на с. 144 - 148, рис. 4.50; триггер - на с. 118, рис. 4.12.

В книге Гусева В.В., Зеличенко Л.Г., Конева К.В. "Основы импульсной и цифровой техники". -М.: Сов. Радио, 1975, описаны инвертор на с. 115 - 116, рис. 6.1в и элемент задержки на с. 226 - 227, рис. 8.16а. Также в книге "Цифровые устройства на интегральных схемах в технике связи" / Л.М.Гольдберг, Ю. Т.Бутыльский, М.Н.Поляк. -М.: Связь, 1979, описаны элементы задержки на с. 67 - 68, рис. 3.3, 3,4. В книге Шило В.Л. "Популярные цифровые микросхемы": Справочник. 2-е изд., испр. Челябинск: Металлургия, Челябинское отд. , 1989, описан ключ на с. 220 - 222, рис. 2.27а. В книге "Полупроводниковая схемотехника": Справочное руководство / У.Титце, К.Шенк. Пер. с нем. -М.: Мир, 1982, описаны: интеграторы - на с. 141 - 144, рис. 11.9 - 11.11; блок умножения - на с. 160 - 163, рис. 11.40, 11.41; сумматор - на с. 137, рис. 11.1
В качестве источника опорного напряжения может быть использован любой источник напряжения, отвечающий требуемым функциональным признакам (например, источник опорного напряжения, используемый в прототипе предлагаемого генератора). Вариант построения схемы источника опорного напряжения, реализованный на известных элементах, приведен в книге Шило В.Л. "Популярные цифровые микросхемы": Справочник. -М.: Радио и связь, 1987, на с 220 - 221, рис. 2.23б.

Заявленное устройство работает следующим образом. Работу устройства рассмотрим на примере трехканального (n-3) генератора несущих колебаний, функциональная схема которого представлена на фиг. 2.

При включении питания постоянное напряжение +U от источника опорного напряжения 1 подается на вход 2.1 интегратора 2. На его второй вход 2.2 с интегратором 2h, определяющим период формирования колебаний, подаются импульсы установки в исходное состояние на ноль с выхода делителя частоты 10. В результате на выходе интегратора 2 формируется сигнал, описываемый функцией текущего времени [-t]. Этот сигнал подается на первый вход 3.1 блока умножения 3.

На второй вход 3.2 блока умножения 3 с выхода интегратора 5 через инвертор 6 подается колебание [-U₃(t)]. На выходе блока умножения 3 формируется колебание, описываемое функцией [t • U₃(t)], которое подается на первый вход 4.1 второго интегратора 4, на второй вход 4.2 которого подается колебание с выхода интегратора 5 через инвертор 6, описываемое функцией [-λ₃U₃(t)] , где λ₃ - коэффициент передачи для второго входа второго интегратора 4. На третий вход 4.3 интегратора 4 подаются импульсы установки в исходное состояние на ноль с выхода делителя частоты 10, причем λ₃ , представляет собой решение уравнения с одним неизвестным:
,
где
n - наивысший из порядков функций, описывающих колебания, формируемые генератором.

При производстве замены
,
уравнение приобретает вид:
,
Полученное уравнение решается по формуле Кардано

Формируемое на выходе второго интегратора 4 колебание, описываемое функцией [-U₃(t)] , подается на вход 5.1 интегратора 5, на второй вход 5.2 которого подаются импульсы установки в исходное состояние на ноль с выхода делителя частоты 10. В результате на выходе интегратора 5 формируется колебание, описываемое функцией U₃(t), которое подается на элементы задержки 7₁. 1, 7₂.1 и 7₃.1 первого, второго и третьего каналов соответственно. С выходов элементов задержки 7₁.1, 7₂.1 и 7₃.1 первого, второго и третьего каналов колебание U₃(t) с задержками соответственно 2h-τ₁,2h-τ₂, , 2h подается на первые входы ключей 7₁.2, 7₂.2 и 7₃.2. Интервал времени от 0 до 2h соответствует периоду настройки генератора, τ₁= λ₃-λ₁,τ₂= λ₃-λ₂, где λ₁,λ₂,λ₃ - собственные значения колебаний, описываемых функциями соответствующих порядков, причем величина h выбирается с учетом числа функций, формируемых генератором, и соотношения h = λ_n, , где n - наиболее высокий порядок функции, формируемой генератором, в данном случае h = λ₃. .

Таким образом, на выходах элементов задержки 7₁.1, 7₂.1 и 7₃.1 формируются колебания, описываемые функциями U₁(t), U₂(t), U₃(t), являющимися собственными функциями краевой задачи, имеющей вид
,
при этом
U_n(0) - 0,
U_n(∞) = 0.
Колебания являются ортогональными, поскольку собственные функции любой самосопряженной краевой задачи (таковой является рассматриваемая) являются ортогональными (см. Э. Камке. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. -М.: Наука, 1976.).

На вторые входы ключей 7₁.2, 7₂.2 и 7₃.2 подается последовательность импульсов от генератора тактовых импульсов 8 через триггер 9 с интервалом h = λ₃. . В результате на выходах первого, второго и третьего ключей 7₁.2, 7₂. 2 и 7₃.2 формируются колебания, описываемые функциями имеющие интервалы включения. Общий вид функций, описывающих эти колебания

где k - номер канала,
m - 0,1,2,...

Для того, чтобы избавиться от интервалов выключения, колебания, описываемые функциями , необходимо подать на первые входы сумматоров 7₁.4, 7₂. 4 и 7₃.4 и на входы элементов задержки 7₁.3, 7₂.3 и 7₃.3, имеющих время задержки равное h, а выходы элементов задержки 7₁.3 7₂.3 и 7₃.3 необходимо подключить к вторым входам сумматоров 7₁.4, 7₂.4 и 7₃.4. В результате на выходах сумматоров 7₁.4, 7₂.4 и 7₃.4 в периоды времени [2h + 2hm; 3h + 2hm] формируются колебания и в периоды времени [3h + 2hm; 4h + 2hm] формируются колебания
Таким образом, на выходах сумматоров 7₁.4, 7₂.4 и 7₃.4 формируются колебания U*1

Следовательно, предложенный генератор, сумматоры которого по выполняемой функции эквиваленты элементам ИЛИ ближайшего аналога [1], позволяет получить существенный выигрыш во временной загрузке каналов по сравнению с аналогом. Поскольку число колебаний, формируемых предлагаемым генератором, увеличивается в два раза для любого n, то выигрыш во временной загрузке оказывается равным 100%.

Кроме того, введение новой совокупности связей обеспечило снижение количества элементов устройства (см. описание прототипа [2], чем достигнута его более высокая эксплуатационная надежность.

Использование изобретения позволяет повысить временную загрузку каналов формирования колебаний генераторов до 100% при одновременном повышении его эксплуатационной надежности.

Генератор несущих колебаний относится к аналоговой технике и может быть использован в радиотехнической и связной аппаратуре для генерирования сложных колебаний, являющихся переносчиками канальных сообщений в многоканальных системах передачи информации. Цель изобретения - увеличение временной загрузки каналов формирования колебаний генератора и повышение его эксплуатационной надежности. Генератор несущих колебаний содержит источник опорного напряжения 1, первый интегратор 2, блок умножения 3, второй интегратор 4, третий интегратор 5, инвертор 6, генератор тактовых импульсов 3, триггер 9, делитель частоты 10 и каналы формирования несущих колебаний 7₁-7_n, где каждый i-й канал содержит элементы задержки 7_i • 1, 7_i • 3, ключ 7_i • 2 и сумматор 7_i • 4. Благодаря новой совокупности существенных признаков, заключающейся во введении новых связей между элементами генератора, достигается повышение временной загрузки каналов формирования колебании генератора до 100%. Кроме того, благодаря изменению формы несущих колебаний, защитные интервалы между колебаниями становятся фиксированными, что позволяет повысить качество каналов связи при работе в линиях с нефиксированными параметрами. 4 ил.

Генератор несущих колебаний, содержащий источник опорного напряжения, первый, второй и третий интеграторы, блок умножения, инвектор, генератор тактовых импульсов, делитель частоты, триггер и n каналов формирования несущих колебаний, где n≥2, выходы которых являются выходами генератора, причем источник опорного напряжения, первый интегратор, блок умножения, второй и третий интеграторы включены каскадно, выход третьего интегратора через инвертор соединен в параллель с вторым входом блока умножения и вторым информационным входом второго интегратора, информационные входы n каналов формирования несущих колебаний объединены и подключены к выходу третьего интегратора, а управляющие входы n каналов формирования несущих колебаний объединены и подключены к прямому выходу триггера, выход генератора тактовых импульсов подключен к входу триггера и в параллель через делитель частоты к входам установки нулевого состояния первого, второго и третьего интеграторов, отличающийся тем, что каждый i-й (i = 1, 2, ..., n) канал формирования несущих колебаний состоит из первого элемента задержки, ключа, второго элемента задержки и сумматора, выход первого элемента задержки подключен к первому входу ключа, выход которого подключен в параллель к первому входу сумматора и входу второго элемента задержки, выход которого подключен к второму входу сумматора, выход сумматора является выходом канала формирования несущих колебаний, а вход первого элемента задержки и второй вход ключа являются соответственно информационным и управляющим входами канала формирования несущих колебаний.