СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЧАСТНОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА Российский патент 1998 года по МПК H03D3/00 H04L27/14 

Данное изобретение касается частотно-модулированных радиосигналов и в частности способа восстановления частотно-модулированного (ЧМ) сигнала.

Предшествующий уровень техники.

Способы восстановления ЧМ-сигналов с использованием радиоприемников с прямым преобразованием известны. Такие способы традиционно включают смещение сигнала, принятого на частоте несущей приемником (фиг.1), из выбранного канала на промежуточную частоту (ПЧ), преобразование ПЧ-сигнала в волну в виде меандра и прямое преобразование в восстановленный аудиосигнал посредством подачи волны в виде меандра и варианта волны с задержкой в виде меандра на квадратный детектор (например, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ).

Такой радиоприемник (фиг. 1) может быть использован в сотовой системе связи, работающей в полосе пропускания 800 - 900 МГц, декодирующей сигналы с интервалом между каналами связи 25 кГц. В такой системе полностью модулированный ЧМ-сигнал будет отклоняться от средней точки частоты несущей канала связи на ±10 кГц. Частота, с которой сигнал отклоняется в интервале ±10 кГц (для полностью модулированного сигнала), характеризует (и сопровождает) первоначально кодированный аудиосигнал (например, при входном аудиосигнале 2 кГц, ЧМ-сигнал будет циклически изменяться между ±10 кГц частоты несущей с частотой 2 кГц).

Смещение частоты ЧМ-сигнала с частоты канала связи на ПЧ-частоту обычно осуществляется путем первоначального смещения ЧМ-сигналов на опорную частоту полосы (нулевую РЧ) с последующим преобразованием с повышением частоты в ПЧ-частоту. Смещение с частоты канала связи к состоянию нулевой РЧ осуществляется путем смещения принятого сигнала с выходным сигналом первого локального генератора (LOCAL OSC-1). С другой стороны, смещение ЧМ-сигнала в состояние нулевой РЧ несет с ЧМ-сигналом изменения амплитуды, связанные с каналом передачи. Как известно специалистам, изменения амплитуды ЧМ-сигнала декодируются детектором как дополнительная аудиоинформация. Дополнительная аудиоинформация представляет собой помехи, которые ухудшают качество детектированного сигнала.

Одним из способов исключения изменений амплитуды является преобразование смещенного ЧМ-сигнала (на ПЧ) в волну в виде меандра посредством ограничения. Волна в виде меандра и копия волны с задержкой в виде меандра вводятся далее в логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Выходной сигнал логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ представляет собой ряд импульсов, среднее значение которых представляет передаваемый аудиосигал.

Принятый ЧМ-сигнал (на частоте несущей) преобразуется в волну в форму меандра посредством первого смещения (в первом смесителе) принятого сигнала с первым выходным сигналом первого локального генератора (LOCAL OSC I) и последующего смещения во втором смесителе принятого сигнала со вторым выходным сигналом первого локального генератора в квадратурной зависимости с первым выходным сигналом. Выходные сигналы двух смесителей (фиг. 4) являются квадратурными компонентами ЧМ-сигнала на нулевой РЧ.

С другой стороны, квадратурные компоненты ЧМ-сигнала на нулевой РЧ невозможно суммировать и ограничивать на частотах основной полосы (для подачи на логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ), поскольку гармоники аудиоинформации (например, аудиоинформация при 2 кГц будет иметь гармоники при 4,8 или 16 кГц) заведомо будут попадать в полосу принятого сигнала. Из-за проблем, связанных с гармониками, квадратурные компоненты ЧМ-сигнала на нулевой РЧ смешиваются во второй группе смесителей с квадратурными компонентами второго локального генератора (LOCAL OSC 2) в промежуточную частоту (например, 131 кГц) и суммируются перед ограничением. Выходной сигнал ограничителя представляет собой волну в виде меандра, из которой можно восстановить аудиоинформацию путем подачи на логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

Информация восстанавливается из волны в виде меандра путем подачи волны в виде меандра и задержанного варианта волны в виде меандра на логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Временная задержка выбирается таким образом, чтобы расположить волну с задержкой в виде меандра со сдвигом на 90 градусов за незадержанной волной в виде меандра на средней частоте ПЧ. На средней частоте ПЧ выходные импульсы логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ имеют такую же ширину, как и интервалы между импульсами. Средней выходной сигнал логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ на средней частоте ПЧ будет, таким образом, составлять половину напряжения выходного импульса логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Там, где частота ПЧ отклоняется вверх с ЧМ-сигналом (к 131 кГц + 10 кГц), средний выходной сигнал логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ также возрастает до напряжения полномасштабного импульса. Там, где ПЧ отклоняется вниз (131 кГц - 10 кГц), средний выходной сигнал логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ падает до нуля. Из-за взаимосвязи выходного сигнала логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ со временем задержки величина времени задержки задержанной волны в виде меандра должна тщательно выбираться (калиброваться), чтобы избежать ограничения выходного аудиосигнала.

Хотя восстановление ЧМ-сигналов прямым преобразованием работает хорошо, надежность такой системы зависит от среднего выходного сигнала логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Чтобы выходной сигнал детектора достоверно воспроизводил входной аудиосигнал, средний выходной сигнал логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ должен оставаться центрированным. Поскольку детектор является устройством включения-выключения, средний выходной сигнал детектора определяется зависимостью между волной в виде меандра и задержанной волной в виде меандра. Если временная зависимость задержанной волны в виде меандра изменяется (из-за старения, температуры и т.д.), детектор становится нецентрированным, что приводит к ограничению выходного сигнала.

Задержка волны в виде меандра традиционно осуществляется с помощью полосового фильтра, работающего в средней точке кривой фильтрования (затухания). Работа в средней точке обеспечивает достаточный фазовый сдвиг, чтобы получить желаемую задержку на детекторе. Если рабочая точка фильтра смещается от центральной из-за сдвигов ПЧ-частоты или изменения параметров элементов фильтра, страдает надежность работы детектора. Поскольку ЧМ-преобразование с помощью методов прямого детектирования имеет большое значение, существует необходимость в более надежном способе задержки сигнала волны в виде меандра перед детектированием.

Краткое описание чертежей.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его выполнения со ссылками на сопровождающиеся чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает блок-схему традиционного ЧМ-приемника,
фиг. 2 - технологическую схему детектирования ЧМ-сигнала в соответствии с вариантом изобретения,
фиг. 3 - блок-схему ЧМ-приемника согласно варианту изобретения,
фиг. 4 - график квадратурных компонент ЧМ-сигнала на пулевой РЧ.

Лучший вариант осуществления изобретения.

Решение проблемы надежной задержки ЧМ-сигнала перед детектированием лежит, в принципе, в исключении задержки волны в виде меандра в секции ПЧ и создании более надежного средства задержки сигнала в секции нулевой РЧ перед повышающим преобразователем. Перемещение средства задержки в секцию нулевой РЧ позволяет использовать узкополосные фильтры низких частот в качестве средств задержки.

На фиг. 2 представлена технологическая схема задержки ЧМ-сигнала и детектирования в соответствии с изобретением. Для лучшего понимания изобретения будет приводится ссылка на фиг. 2.

На фиг. 3 представлена блок-схема ЧМ-приемника, обозначенного позицией 10, согласно варианту изобретения. В приемник 10 включен полосовой фильтр 11 и первый локальный генератор 13 для смещения принятого сигнала на опорную полосу, причем указанные элементы известны из уровня техники. Полосовой фильтр 11 позволяет реализовать способ изоляции искомого сигнала в выбранном канале от других сигналов в других каналах в рамках указанного подспектра. Первый локальный генератор 13 является средством транспортирования частоты принятого сигнала из избранного канала в состояние нулевой РЧ на выходах смесителей 12 и 14. Смешение принятого сигнала с квадратурными выходными сигналами первого локального генератора 13 в смесителях 12 и 14 является средством выработки квадратурных (первой и второй) компонент ЧМ-сигнала на нулевой РЧ (изображены как сигналы 31 и 32, соответственно, на фиг. 4).

В приемнике 10 первая и вторая компоненты ЧМ-сигнала обрабатываются по первому и второму сигнальным трактам для выработки опорного сигнала и опорного сигнала с задержкой. Затем опорный сигнал и опорные сигналы с задержкой ограничиваются и подаются на детектор.

В приемнике 10 (на первом сигнальном тракте) создается опорный сигнал, напоминающий волну в виде меандра, на выходе ограничителя 26 за счет смешения в смесителях 15, 16 первой и второй компонент ЧМ-сигнала с квадратурными выходными сигналами второго локального генератора 18, суммирования смешанных сигналов в сумматоре 17 и ограничения в ограничителе 26. Смещение первой и второй компонент ЧМ-сигнала на нулевой РЧ с квадратурными выходными сигналами (Sin (W₂)t и cos (W₂)t) на промежуточной частоте (например, 131 кГц) в смесителях 15 и 16 служит для преобразования с повышением частоты первой и второй компонент ЧМ-сигнала в ПЧ-состояние при сохранении квадратурной зависимости преобразования с повышением частоты первого и второго сигналов. Суммирование квадратурно-зависимых сигналов в ПЧ-состоянии в сумматоре 17 дает суммированный выходной сигнал, который напоминает волну в виде меандра с двухгорбным верхом. Ограничение в ограничителе 26 завершает процесс формирования волны в виде меандра.

В приемнике 10 (на втором сигнальном тракте) создается преобразованный с повышением частоты сигнал с задержкой, напоминающий волну в виде меандра, на выходе ограничителя 25 посредством задержки первой и второй компонент ЧМ-сигнала на нулевой РЧ в средствах задержки 19- 20 перед повышающим преобразованием в смесителях 21- 22, суммирования в сумматоре 23 и ограничения в ограничителе 25. Поскольку задержка сигнала согласно изобретению происходит в состоянии нулевой РЧ, для средств задержки используются простые фильтры низких частот 19-20. Для обеспечения достаточной задержки фильтры низких частот 19 и 20 должны быть достаточно широкими, чтобы пропускать первую и вторую компоненты ЧМ-сигнала на нулевой РЧ, обеспечивая в то же время линейный фазовый сдвиг по ширине полосы первой и второй компонент. После фазового сдвига ЧМ-сигнала на нулевой РЧ осуществляется преобразование с повышением частоты сигналов с задержкой при использовании квадратурных выходных сигналов второго локального генератора 18 ( квадратурные выходные сигналы, используемые для повышающего преобразования на втором сигнальном тракте, выбираются со смещением фазы на 180 градусов относительно квадратурных выходных сигналов, использованных на первом сигнальном тракте).

После преобразования с повышением частоты на втором сигнальном тракте преобразованные сигналы суммируются в сумматоре 23. Суммированный сигнал в дальнейшем ограничивается с целью сформировать волну в виде меандра в ограничителе 25.

Восстановление аудиоинформации в детекторе 24 приемника 10 осуществляется посредством сравнения ограниченного опорного сигнала с ограниченным преобразованным с повышением частоты сигналом с задержкой в детекторе 24 (логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ). Точная зависимость между ограниченным опорным сигналом и ограниченным преобразованным с повышением частоты сигналом с задержкой обеспечивается за счет использования квадратурных выходных сигналов локальных генераторов 13 и 18 и надежных средств временной задержки 19-20. Поскольку средства временной задержки 19-20 работают на опорной полосе (нулевой РЧ) вместо ПЧ, значительное время задержки легко обеспечивается с помощью простого линейного фазового фильтра низких частот. Представляется важным получить большое время задержки, поскольку уровень восстановленного аудиосигнала прямо пропорционален временной задержке. ЧМ-приемники, выполненные согласно данному изобретению, фактически обеспечивают уровни выходных аудиосигналов, превышающие в три-четыре раза уровни известных ЧМ-приемников.

Фазовый сдвига на 90^o между ограниченным опорным сигналом и ограниченным преобразованным с повышением частоты сигналом с задержкой достигается за чет квадратурной зависимости между умножающими сигналами повышающего преобразователя. Квадратурная зависимость между ограниченным опорным сигналом и ограниченным преобразованным с повышением частоты сигналом с задержкой (первой и второй компонентами ЧМ-сигнала опорной полосы) поддерживается цепью обратной связи, регулирующей квадратурные выходы локальных генераторов в пределах погрешности величиной менее одного градуса. Переключающие смесители могут использоваться в преобразователе с повышением частоты для обеспечения волны в виде меандра в качестве умножающего сигнала. Квадратурные волны в виде меандра легко генерируются в диапазоне 1 МГц с триггерами задержки, имеющими фазовую погрешность намного меньше одного градуса. Поскольку фазовый сдвиг на 90^o определяется двумя очень точными источниками, в устройстве согласно данному изобретению отсутствуют изменения выходного напряжения, вызванные изменением фазового сдвига, что характерно для традиционных квадратурных детекторов.

Многие признаки и преимущества настоящего изобретения очевидны из подробного описания и прилагаемая формула изобретения имеет своей целью охватить все признаки и преимущества системы, которые подпадают под идею и объем изобретения. Кроме того, поскольку специалисты могут легко осуществить многочисленные модификации и изменения (например, использовать средства задержки с процессором цифровых сигналов), изобретение не ограничивается только описанными и проиллюстрированными конструкцией и работой, и, соответственно, все возможные соответствующие модификации и эквиваленты подпадают под объем изобретения.

Следует конечно понимать, что настоящее изобретение ни в коей мере не ограничено конкретными вариантами, показанными на чертежах, но также включает в себя любые модификации в рамках объема прилагаемой формулы изобретения.

Преложены устройство и способ восстановления частотно-модулированного сигнала, имеющего первую компоненту частотно-модулированного сигнала на спектральном участке нулевой РЧ и вторую компоненту частотно-модулированного сигнала на спектральном участке нулевой РЧ, находящуюся в квадратурной зависимости с первой компонентой. Способ включает в себя операции преобразования с повышением частоты и суммирования первой и второй компонент для получения опорного сигнала, временной задержки первой и второй компонент, преобразования с повышением частоты и суммирования задержанных преобразованных с повышением частоты первой и второй компонент для получения задержанного опорного сигнала, находящегося в квадратурной зависимости с опорным сигналом, ограничения опорного и задержанного сигнала и детектирования ограниченного опорного сигнала с использованием задержанного опорного сигнала. Технический результат, который может быть получен, заключается в повышении достоверности воспроизведения входного аудиосигнала. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ восстановления частотно-модулированного сигнала, заключающийся в том, что из частотно-модулированного сигнала формируют первую компоненту на нулевой радиочастоте и вторую компоненту на нулевой радиочастоте, находящуюся в квадратурной зависимости с первой компонентой, повышают частоту каждой из компонент, суммируют их, формируя опорный сигнал, ограничивают опорный сигнал и детектируют его, отличающийся тем, что опорный сигнал детектируют с использованием задержанного опорного сигнала, находящегося с ним в квадратурной зависимости, который формируют путем временной задержки первой и второй компонент на нулевой радиочастоте, повышения частоты на каждой из задержанных компонент, суммирования их, формируя при этом задержанный опорный сигнал, и ограничения задержанного опорного сигнала. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что детектирование ограниченного опорного сигнала с использованием ограниченного задержанного опорного сигнала осуществляют посредством элемента Исключающее ИЛИ. 3. Способ по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что частоту каждой из компонент повышают с использованием симметричного балансного смесителя. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что повышение частоты каждой из компонент и их суммирование при использовании симметричного балансного смесителя производят умножением первой компоненты на сигнал, преобразующий с повышением частоты, для получения первого произведения, второй компоненты на квадратурный сигнал, преобразующий с повышением частоты, для получения второго произведения, и суммированием первого и второго произведений в опорный сигнал. 5. Способ по п.3, отличающийся тем, что повышение частоты каждой из задержанных компонент и их суммирование при использовании симметричного балансного смесителя производят умножением первой задержанной компоненты на дополнительный сигнал, преобразующий с повышением частоты, для получения первого произведения, умножением второй задержанной компоненты на дополнительный сигнал, преобразующий с повышением частоты, для получения второго произведения, и суммированием первого и второго произведений с получением задержанного опорного сигнала. 6. Устройство восстановления частотно-модулированного сигнала в приемнике с прямым преобразованием, включающее блок, формирующий из входного частотно-модулированного сигнала первый и второй сигналы на нулевой радиочастоте, находящиеся в квадратурной зависимости, повышающий преобразователь, преобразующий первый и второй сигналы на нулевой радиочастоте и формирующий опорный сигнал, ограничитель, подключенный к выходу повышающего преобразователя, и детектор, отличающееся тем, что дополнительно вводят блок, задерживающий первый и второй сигналы, преобразующий с повышением частоты задержанные первый и второй сигналы на нулевой радиочастоте и формирующий задержанный опорный сигнал, находящийся в квадратуре с опорным сигналом, когда частотно-модулированный сигнал не модулирован, к выходу которого подключен дополнительный ограничитель, при этом детектор выполнен в виде элемента Исключающее ИЛИ, входы которого подключены к выходам ограничителя и дополнительного ограничителя соответственно. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что повышающий преобразователь выполнен по схеме симметричного балансного смесителя и включает в себя два перемножителя, сумматор, входы которого подключены к выходам перемножителей, и генератор, при этом первые входы перемножителей являются входами для подачи соответственно первого и второго сигналов на нулевой радиочастоте, а вторые входы соединены с выходами квадратурных сигналов генератора, преобразующих с повышением частоты. 8. Устройство по одному из пп.6 и 7, отличающееся тем, что блок, задерживающий первый и второй сигналы, преобразующий с повышением частоты первый и второй сигналы на нулевой радиочастоте и формирующий задержанный опорный сигнал, находящийся в квадратуре с опорным сигналом, когда частотно-модулированный сигнал не модулирован, содержит блок задержки, принимающий и задерживающий первый и второй сигналы на нулевой радиочастоте и формирующий задержанные первый и второй сигналы, симметричный балансный смеситель, подключенный к блоку задержки и содержащий умножители, сумматор, входы которого подключены входам первого и второго умножителей, и генератор, причем на первые входы умножителей поступают задержанные первый и второй сигналы соответственно, а вторые входы умножителей соединены с выходами квадратурных сигналов генератора, преобразующих с повышением частоты.