СПОСОБ ШИРОКОПОЛОСНОГО УМНОЖЕНИЯ ЧАСТОТЫ И ФАЗЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H03B19/10 

Заявляемые способ и устройство широкополосного умножения частоты и фазы относятся к области радиотехники и электросвязи. Основные области применения данного устройства связаны с метрологией, а также с радиотехническими системами, использующими фазовую и частотную модуляцию сигналов.

В радиотехнике хорошо известны и широко применяются нелинейные резонансные умножители частоты (см. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М. : Высшая школа, 1983, с. 332-333). Такой умножитель представляет собой последовательное включение нелинейного преобразователя и узкополосного фильтра. При прохождении входного гармонического сигнала
U_Вх(t) = U₀•sin(ω•t+ϕ) (1)
через нелинейный преобразователь образуется сигнал U_н(t), представляющий собой сумму некоторого количества гармонических составляющих

В случае умножения частоты в n раз соответствующая n-я гармоника выделяется с помощью узкополосного фильтра.

Основными недостатками таких умножителей является узкая полоса рабочих частот и многофакторная зависимость (неопределенность) значения фазы ϕ_n n-й гармоники. Указанные недостатки резонансных умножителей существенно снижают их функциональные возможности при умножении частоты и фазы квазигармонического сигнала, частота которого меняется в широкой полосе частот (системы с фазовой и частотной модуляцией сигналов).

Очевидным путем расширения диапазона входных рабочих частот умножителя частоты с заданной кратностью n умножения является подбор такого типа нелинейного преобразования, которое обеспечивает получение на выходе только заданной одной n-й гармоники.

Наиболее близким к заявляемому является способ умножения частоты и фазы, основанный на полиномиальном нелинейном преобразовании исходного гармонического сигнала, обеспечивающего получение на выходе сигнала с умноженной в заданное количество раз частотой и фазой (см. Кушнир В.Ф., Ферсман Б.А. Теория нелинейных электрических цепей. - М.: Связь, 1974. С. 87-88). Суть известного способа состоит в следующем. Гармонический сигнал подают на вход нелинейного четырехполюсника со специально подобранным типом нелинейности. Действие такого нелинейного преобразователя должно сводиться к умножению частоты ω и начальной фазы ϕ исходного сигнала (1) в n раз. С выхода нелинейного четырехполюсника снимают сигнал y(t), частота и фаза которого умножены в n раз. В аналитическом виде гармонический сигнал y(t) с умноженной в n раз частотой имеет вид
y(t) = B•cos(n•ω•t+n•ϕ). (3)
В обобщенном виде нелинейное преобразование четырехполюсника можно записать в следующем виде
y(t)=T_n(x(t)). (4)
Из (1) и (3) несложно найти математический вид необходимой нелинейной функции
y(t)=B•cos(n•arccos(x/a)). (5)
Выражения T_n(x), обеспечивающие преобразование (5), известны в математике как многочлены (полиномы) Чебышева первого рода (см. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике. - М.: Наука, 1970. С. 663). Многочлен Чебышева n-го порядка обеспечивает умножение частоты в n раз. Многочлен Чебышева нечетного порядка представляет собой сумму нечетных степенных функций с первого по n-й порядок включительно. Многочлен Чебышева четного порядка представляет собой сумму четных степенных функций с нулевого по n-й порядок включительно. Вид многочленов Чебышева известен практически для любых значений n. В частности,
T₂(х)=-1+2х² (6)
Т₃(х)=-3х+4х³ (7)
T₄(x)=1-8x²+8x⁴ (8)
T₅(x)=5x-20x³+16x⁵ (9)
Достоинством умножителей частоты, выполненных на основе нелинейного преобразования чебышевского типа, является отсутствие ненужных гармонических составляющих, кроме умноженной в необходимое число раз по частоте и фазе гармоники.

Основным недостатком известного способа умножения частоты и фазы является ограниченный диапазон рабочих частот. Этот недостаток обусловлен сложностью технической реализации достаточно точных и быстродействующих преобразователей степенного типа. Как известно, такие преобразователи могут быть как аналогового (см. Алексенко А. Г. и др. Применение прецизионных аналоговых схем. - М.: Радио и связь, 1985, 256 с.), так и цифрового типа. Степенные преобразователи цифрового типа обычно реализуются на основе цифровых универсальных или специализированных ЭВМ. Недостатком таких преобразователей является большой объем вычислений и как следствие этого - низкое быстродействие и невозможность работы на достаточно высоких частотах.

Степенные преобразователи аналогового типа могут быть построены как на основе устройств с кусочно-линейной аппроксимацией, так и на основе аналоговых множительных устройств (см. , например, Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В. А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь, 1982. С. 59-63). В любом случае построения точность аналоговых степенных преобразователей относительно невелика. Поэтому при использовании таких степенных преобразователей в умножителях частоты не удается обеспечить получение только одной гармонической составляющей и эффективное подавление других составляющих.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение диапазона рабочих частот умножителя частоты и фазы гармонического сигнала.

Технический результат достигается тем, что в известном способе умножения частоты и фазы, основанном на использовании чебышевского типа нелинейного преобразования входного сигнала, входной сигнал подвергают аналого-цифровому преобразованию в АЦП. Полученный цифровой код с выхода АЦП подают на цифровые входы последовательно включенных N ЦАП умножающего типа, при этом на аналоговый вход первого ЦАП подают опорное постоянное напряжение, а на аналоговый вход каждого из N-1 последующих ЦАП подают напряжение с аналогового выхода предыдущего ЦАП, при этом напряжения с каждого из аналоговых выходов ЦАП и опорное напряжение, взятые с соответствующим знаком и измененные по величине в заданное количество раз, подают на соответствующие входы аналогового сумматора. Сигнал с выхода сумматора через фильтр нижних частот подают на выход умножителя частоты и фазы.

Применение предлагаемого способа по сравнению с известными позволяет существенно увеличить быстродействие и точность чебышевского полиномиального преобразования входного сигнала. В свою очередь, это способствует расширению диапазона рабочих частот умножения частоты и фазы. Действительно, достигнутое за счет более высокой точности Чебышевского преобразования снижение уровня паразитных спектральных составляющих, присутствующих на выходе устройства наряду с полезным сигналом, умноженным в заданное число раз по частоте, позволяет отказаться от узкополосных фильтров, ограничивающих рабочий диапазон частот. Кроме этого, повышение быстродействия нелинейного преобразователя позволяет работать в более широком диапазоне тактовых частот, т. е. в более широком диапазоне частот входных и выходных сигналов.

Наиболее близким к заявляемому является устройство умножения частоты и фазы, основанное на полиномиальном нелинейном преобразовании исходного гармонического сигнала, обеспечивающим получение на выходе сигнала с умноженной в заданное количество раз частотой и фазой (см. Кушнир В.Ф., Ферсман Б. А. Теория нелинейных электрических цепей. - М.: Связь, 1974. С. 87-88). Основу известного устройства составляет нелинейный четырехполюсник с передаточной характеристикой чебышевского типа.

Основным недостатком известного устройства умножения частоты и фазы является узкий диапазон рабочих частот. Этот недостаток обусловлен низким быстродействием цифровых и высокой погрешностью аналоговых преобразователей чебышевского типа.

Техническим результатом изобретения является расширение диапазона рабочих частот устройства для умножения частоты и фазы.

Технический результат достигается тем, что в известный умножитель частоты и фазы гармонических сигналов, основанный на нелинейном полиномиальном чебышевского типа преобразовании исходного сигнала, введены линейный аналого-цифрового преобразователь, вход которого соединен со входом устройства, N цифроаналоговых преобразователей умножающего типа, цифровые входы которых соединены с соответствующими цифровыми выходами аналого-цифрового преобразователя, при этом аналоговый вход первого цифроаналогового преобразователя соединен с выходом источника постоянного опорного напряжения, а аналоговый вход каждого из N-1 последующих цифроаналоговых преобразователей соединен с аналоговым выходом предыдущего цифроаналогового преобразователя, каждый из аналоговых выходов цифроаналоговых преобразователей и выход источника опорного напряжения через соответствующие линейные масштабные преобразователи с заданными по величине и знаку коэффициентами передачи соединены с N+1 входами аналогового сумматора, выход которого через фильтр нижних частот соединен с выходом устройства.

На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства широкополосного умножения частоты и фазы.

Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, аналоговый вход которого является входом широкополосного устройства умножения частоты и фазы. Каждый разряд цифрового выхода АЦП 1 соединен с соответствующим разрядом цифровых входов цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 2-5 (на чертеже изображены только 4 ЦАП из цепочки в N ЦАП). Аналоговый вход каждого из N-1 последующих ЦАП соединен с аналоговым выходом предыдущего ЦАП. Кроме того, аналоговый выход каждого i-го ЦАП через соответствующие преобразователи уровней 6-10 с коэффициентом передачи а_i и выход источника опорного напряжения 11 через преобразователь уровня 12 с коэффициентом передачи а₀ соединены со входами аналогового сумматора Σ 13. Выход сумматора 13 через фильтр нижних частот 14 соединен с выходом устройства широкополосного умножения частоты и фазы. Запуск АЦП 1 осуществляется периодически с частотой f_t, по крайней мере в два раза превышающей верхнюю граничную частоту входного периодического сигнала.

Устройство работает следующим образом. В дискретные моменты времени t_j входной аналоговый гармонический сигнал в АЦП 1 подвергается аналого-цифровому преобразованию. Цифровой код U_d(t_j) с АЦП поступает на аналоговые входы N ЦАП, выполняющих функцию потенциометров, управляемых цифровым кодом. Мгновенная величина напряжения z₁(t_j) на выходе первого ЦАП составляет
z₁(t_j)=U₀•b•U_d(t_j), (10)
где b - некоторая константа преобразования каждого ЦАП. На выходе каждого i-го по счету ЦАП мгновенная величина z_i(t_j) напряжения будет равна
z_i(t_j)=z_i-1(t_j)(b•U_d=U₀•bⁱ•U_d ⁱ(t_j). (11)
На выходе сумматора Σ дискретные значения напряжения U_Σ(t_j) в момент времени t_j будут равны

Величина коэффициентов передачи а_i выбирается в соответствии с величиной b и видом полиномов Чебышева (см. выражения (6)-(9)).

После прохождения через ФНЧ, частота среза которого по крайней мере в n раз превышает половину частоты f_d дискретизации входного сигнала, на выходе устройства образуется сигнал, частота и фаза которого будут умножены в заданное число раз.

Изобретения относятся к радиотехнике и электросвязи. Основные области применения данного устройства связаны с метрологией, а также с радиотехническими системами, использующими фазовую и частотную модуляцию сигналов. Техническим результатом изобретений является расширение диапазона рабочих частот умножителя частоты и фазы гармонического сигнала. В известном способе умножения частоты и фазы, основанном на использовании чебышевского типа нелинейного преобразования входного сигнала, входной сигнал подвергают аналого-цифровому преобразованию, полученный цифровой код подают на цифровые входы последовательно включенных N ЦАП умножающего типа, при этом на аналоговый вход первого ЦАП подают опорное постоянное напряжение, а на аналоговый вход каждого из N-1 последующих ЦАП подают напряжение с аналогового выхода предыдущего ЦАП. Напряжения с каждого из аналоговых выходов ЦАП и опорное напряжение, взятые с соответствующим знаком и измененные по величине в заданное количество раз, подают на соответствующие входы аналогового сумматора. Сигнал с выхода сумматора, пропущенный через фильтр нижних частот, подают на выход умножителя частоты и фазы. Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговые преобразователи, преобразователи уровней, аналоговый сумматор, фильтр нижних частот, источник опорного напряжения. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ широкополосного умножения частоты и фазы гармонических сигналов, основанный на нелинейном полиномиальном чебышевского типа преобразовании исходного сигнала, отличающийся тем, что исходный сигнал подвергают аналого-цифровому преобразованию, а полученный цифровой код с выхода аналого-цифрового преобразователя подают на цифровые входы последовательно включенных N цифроаналоговых преобразователей умножающего типа, при этом на аналоговый вход первого цифроаналогового преобразователя подают постоянное опорное напряжение, а на аналоговый вход каждого из N-1 последующих цифроаналоговых преобразователей подают напряжение с аналогового выхода предыдущего цифроаналогового преобразователя, при этом напряжения с каждого из аналоговых выходов цифроаналоговых преобразователей и опорное напряжение, взятые с соответствующим знаком и измененные по величине в заданное количество раз, подают на соответствующие входы аналогового сумматора, с выхода которого сигнал через фильтр нижних частот подают на выход умножителя частоты и фазы. 2. Широкополосный умножитель частоты и фазы гармонических сигналов, основанный на нелинейном полиномиальном чебышевского типа преобразовании исходного сигнала, отличающийся тем, что он содержит линейный аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен со входом устройства, N цифроаналоговых преобразователей умножающего типа, цифровые входы которых соединены с соответствующими цифровыми выходами аналого-цифрового преобразователя, при этом аналоговый вход первого цифроаналогового преобразователя соединен с выходом источника постоянного опорного напряжения, а аналоговый вход каждого из N-1 последующих цифроаналоговых преобразователей соединен с аналоговым выходом предыдущего цифроаналогового преобразователя, каждый из аналоговых выходов цифро-аналоговых преобразователей и выход источника опорного напряжения через соответствующие линейные масштабные преобразователи с заданными по величине и знаку коэффициентами передачи соединены с соответствующими входами аналогового сумматора, выход которого через фильтр нижних частот соединен с выходом устройства.