СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЕВИАЦИИ ФАЗЫ ПЕРИОДИЧЕСКОГО СИГНАЛА Российский патент 2004 года по МПК H03D7/16 H03L7/06 

Изобретение относится к радиотехнике и другим областям электронной техники, в которых используются сигналы с угловой модуляцией, и может быть использовано для преобразования девиации фазы с любым заданным коэффициентом преобразования.

В качестве аналога изобретения могут быть рассмотрены известные способы преобразования девиации фазы [1], в которых используются косвенные методы преобразования угловой модуляции.

Недостатком известных способов является их сложность при технической реализации и функционирование только в динамическом режиме.

В результате поиска среди научных публикаций, патентов и авторских свидетельств на изобретения авторами не выявлены способы и устройства прямого преобразования (усиления) девиации фазы периодического сигнала с произвольным коэффициентом преобразования больше единицы (аналогично амплитудным усилителям) без промежуточных преобразований в другие виды модуляций.

Известен способ линеаризации характеристик дифференциальных частотных датчиков, заключающийся в том, что из стабильной опорной частоты вычитают первую выходную частоту и полученной разностью синхронизируют вторую выходную частоту, а вторую выходную частоту вычитают из стабильной опорной частоты и полученной разностью синхронизируют первую частоту [2]. Устройство, реализующее способ, содержит первый полосный усилитель, первый смеситель, второй полосный усилитель, второй смеситель, которые образуют замкнутый контур, а ко вторым входам смесителей подключен выход опорного генератора, третий смеситель, входы которого подключены к выходам первого и второго полосных усилителей, а выход к третьему полосному усилителю. При выполнении условий баланса амплитуд и баланса фаз, в данной автоколебательной системе на выходах первого и второго полосных усилителей генерируются сигналы с комбинационными частотами.

Известное устройство, реализующее способ, может быть использовано для преобразования девиации фазы периодического сигнала, так как существует возможность изменять частоты генерируемых сигналов и, соответственно, фазовые сдвиги в полосных усилителях путем изменения частоты опорного сигнала или вносимого в контур автоколебательной системы дополнительного фазового сдвига.

Недостатком известного способа и устройства является невозможность получения коэффициента преобразования больше единицы.

Цель изобретения - преобразование девиации фазы периодического сигнала с произвольным коэффициентом преобразования больше единицы в технически реализуемом диапазоне.

С этой целью в известном способе вместо сигнала со стабильной опорной частотой используют опорный сигнал и входной сигнал с фазовой модуляцией, перемножают первый и второй синхронизируемые сигналы, выделяют выходной сигнал с суммарной или разностной частотой и регистрируют его начальную фазу относительно начальной фазы входного опорного сигнала, перемножают первый синхронизируемый сигнал и входной сигнал, выделяют второй сигнал синхронизации с разностной частотой, которым синхронизируют второй синхронизируемый сигнал, перемножают второй синхронизируемый сигнал с входным опорным сигналом, выделяют первый сигнал синхронизации с разностной или суммарной частотой, которым синхронизируют первый синхронизируемый сигнал, кроме этого у одного из сигналов синхронизации дополнительно преобразуют начальную фазу таким образом, чтобы фазовый сдвиг между сигналом синхронизации и синхронизируемым сигналом стал инверсным по отношению к соответствующему фазовому сдвигу до преобразования.

С целью преобразования начальной фазы одного из сигналов синхронизации сигнал синхронизации умножают сам на себя, полученный сигнал с удвоенной частотой перемножают с исходным сигналом синхронизации, у которого дополнительно смещают начальную фазу, выделяют сигнал с разностной частотой и им синхронизируют соответствующий синхронизируемый сигнал.

Техническими результатами, которые могут быть получены при использовании изобретения, являются простые устройства фазовой модуляции, дающие большие индексы модуляции выходных сигналов и имеющие возможность плавного изменения индекса модуляции; усилители сверхмалых девиаций фазы выходных сигналов фазогенераторных преобразователей.

На фиг.1 изображены графики, иллюстрирующие преобразование девиации фазы входного периодического сигнала, когда его частота равна сумме частот синхронизируемых сигналов.

Приведены зависимости ϕ(f₂) и ϕ(f₁,) фазовых сдвигов между сигналами синхронизации и синхронизируемыми сигналами, если частоты сигналов синхронизации не совпадают с парциальными частотами f₁₀ и f₂₀ синхронизируемых сигналов (частотами синхронизируемых сигналов при отсутствии сигналов синхронизации).

На фиг. 2 изображены графики, иллюстрирующие преобразование девиации частоты входного периодического сигнала, когда его частота равна разности частот синхронизируемых сигналов.

Приведены зависимости ϕ(f₂) и ϕ(f₁) фазовых сдвигов между сигналами синхронизации и синхронизируемыми сигналами, если частоты сигналов синхронизации не совпадают с парциальными частотами синхронизируемых сигналов.

На фиг. 3 изображен вариант структурной схемы устройства, реализующего данный способ.

Устройство содержит балансные смесители 1, 4, 7, синхронизируемые генераторы 2, 6, преобразователь начальной фазы сигнала синхронизации 3, полосный усилитель 5 и регистратор фазового сдвига 8.

На фиг. 4 изображен вариант структурной схемы преобразователя начальной фазы сигнала синхронизации.

Преобразователь начальной фазы содержит балансные смесители 9 и 10, полосный усилитель 11 и многокаскадный полосный усилитель 12.

Парциальные частоты f₁₀ и f₂₀ синхронизируемых сигналов выбирают в соответствии с условием
f₁₀±f₂₀=f₀, (1)
где f₀ - частота входного и опорного сигналов.

Согласно предлагаемому способу для преобразования девиации фазы периодического сигнала выполняются следующие операции. Перемножают входной сигнал и первый синхронизируемый сигнал. Выделяют из результирующего сигнала составляющую с разностной частотой. Преобразуют ее начальную фазу и полученным сигналом синхронизируют второй синхронизируемый сигнал. Перемножают опорный сигнал и второй синхронизируемый сигнал. Выделяют из результирующего сигнала составляющую с разностной или суммарной частотой. Полученным сигналом синхронизируют первый синхронизируемый сигнал. Перемножают синхронизируемые сигналы и выделяют выходной сигнал с разностной или суммарной частотой. Регистрируют его начальную фазу относительно начальной фазы входного опорного сигнала.

В установившемся режиме частоты синхронизируемых сигналов равны частотам сигналов синхронизации, но между ними появляются дополнительные фазовые сдвиги, если они не равны парциальным частотам. При этом выполняется баланс фазовых сдвигов. Величины фазовых сдвигов определяются по зависимостям ϕ(f₁) и ϕ(f₂).

Баланс фазовых сдвигов определяется равенством
ϕ₁(f₁) = ±ϕ₂(f₂)+ϕ₀, (2)
где ϕ₀ - значение девиации фазы входного сигнала относительно начальной фазы опорного сигнала.

Если начальная фаза входного сигнала получает приращение относительно начальной фазы опорного сигнала, то начинается переходный процесс, во время которого изменяются частоты синхронизируемых сигналов до тех пор, пока не будут выполнены совместно условия:

Из фиг. 1 и 2 видно, что небольшое смещение ϕ₀ начальной фазы входного сигнала относительно начальной фазы опорного сигнала вызывает существенное изменение частот синхронизируемых сигналов относительно парциальных частот и, соответственно, значительно большие изменения фазовых сдвигов между сигналами синхронизации и синхронизируемыми сигналами. Частота выходного сигнала равна частоте входного сигнала и, соответственно, опорного сигнала, так как определяется выражением
f₁±f₁=f_вых, (4)
а начальная фаза отличается от начальной фазы опорного сигнала на величину фазового сдвига между первым сигналом синхронизации и первым синхронизируемым сигналом. Таким образом, происходит усиление девиации фазы периодического сигнала.

Докажем справедливость сделанных выводов аналитически.

Для наглядности анализа опустим амплитудный фактор и воспользуемся линеаризованными фазочастотными характеристиками ϕ(f₁) и ϕ(f₂) на интервале синхронизации

где S - крутизна фазочастотной характеристики.

Решая систему (3) относительно f₁ с использованием (5), получим

Подставляя (6) в первое выражение (5), получим

Регистрируемый фазовый сдвиг между выходным сигналом и опорным сигналом равен ϕ₁. Найдем чувствительность девиации фазы выходного сигнала к девиации фазы входного сигнала

Видно, что знаменатель (8) может быть каким угодно малым, поэтому чувствительность и, соответственно, коэффициент преобразования девиации фазы могут быть теоретически какими угодно большими.

Выполненный анализ показывает, что изменение наклона одной из фазочастотных характеристик вызывает изменение девиации регистрируемой фазы выходного сигнала при неизменной девиации фазы входного сигнала. Происходит преобразование (усиление) девиации фазы. Коэффициент преобразования может быть достаточно большим.

Для преобразования начальной фазы одного из сигналов синхронизации с целью получения инверсного фазового сдвига между синхронизируемым сигналом и сигналом синхронизации выполняют следующие операции. Сигнал синхронизации умножают сам на себя, полученный сигнал с удвоенной частотой перемножают с исходным сигналом синхронизации, у которого дополнительно смещают начальную фазу, выделяют сигнал с разностной частотой и им синхронизируют соответствующий синхронизируемый сигнал.

В установившемся режиме, при смещении частоты синхронизируемого сигнала относительно собственной парциальной частоты, соответствующий фазовый сдвиг между синхронизируемым сигналом и сигналом синхронизации равен Δϕ. При выделении сигнала синхронизации с разностной частотой после преобразования начальной фазы добавляется аналогичный фазовый сдвиг Δϕ. Если дополнительное смещение начальной фазы сигнала синхронизации 3Δϕ, то эквивалентный фазовый сдвиг между синхронизируемым сигналом и исходным сигналом синхронизации до преобразования начальной фазы будет равен 2Δϕ-3Δϕ = -Δϕ. Это справедливо при любых Δϕ. Соответственно эквивалентная фазочастотная характеристика будет инверсной и примет вид второго выражения (5).

На фиг. 3 приведена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ преобразования девиации фазы периодического сигнала. Устройство содержит смеситель 1, к первому входу которого подключен выход синхронизируемого генератора 2, а к выходу подключен вход преобразователя начальной фазы 3, к выходу которого подключен синхронизируемый генератор 6, смеситель 7, к первому входу которого подключен выход синхронизируемого генератора 6, а к выходу подключен вход синхронизируемого генератора 2, смеситель 4, ко входам которого подключены выходы синхронизируемых генераторов 2 и 6, а выход подключен к полосному усилителю 5, выход которого подключен к первому входу регистратора 8, ко второму входу смесителя 1 подключен вход устройства, а ко вторым входам смесителя 7 и регистратора 8 подключен вход опорного сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Парциальные частоты f₁₀ и f₂₀ первого и второго синхронизируемых генераторов при известной частоте f₀ входного и опорного сигналов выбирают в соответствии с условием
f₁₀±f₂₀=f₀, (9)
Входной модулированный по фазе сигнал с частотой f₀ подается на второй вход смесителя 1, а на второй вход смесителя 7 подается опорный сигнал той же частоты с фиксированной начальной фазой ψ. На выходах синхронизируемых генераторов 2 и 6 в режиме синхронизации генерируются сигналы с частотами f₁ и f₂, если выполнены условие баланса фаз. Выходные сигналы балансных смесителей 1 и 7 содержат компоненты с суммарной и разностной частотой смешиваемых сигналов. На выходе синхронизируемого генератора 6 генерируется сигнал, частота которого равна разности f₀-f₁ или f₁-f₀ в зависимости от знака в условии (9). На выходе синхронизируемого генератора 2 генерируется сигнал, частота которого равна f₀∓f₂ в соответствии со знаком в условии (9). Благодаря преобразователю начальной фазы 3 фазочастотные характеристики синхронизируемого генератора 2 и каскадного соединения преобразователь начальной фазы 3 и синхронизируемый генератор 6 имеют наклоны разного знака (см. фиг.1 и 2).

Установившийся режим в рассматриваемом устройстве относительно частот генерируемых сигналов при выполнении условия определяется системой уравнений

где ϕ₀ - значение девиации фазы входного сигнала относительно начальной фазы опорного сигнала.

Если значения частоты входного сигнала и резонансных частот полосных усилителей отвечают условию (9), то баланс фаз по замкнутому контуру смеситель 1, преобразователь 3, генератор 6, смеситель 7, генератор 2 выполняется при нулевых фазовых сдвигах. Если при этом ϕ₀ = 0, то частоты генерируемых сигналов совпадают с парциальными частотами генераторов 2 и 6 (см. фиг.1 и 2).

Отклонение начальной фазы входного сигнала относительно значения ψ опорного сигнала нарушает баланс фаз. Начинается переходный процесс, заключающийся в изменении частот генерируемых сигналов синхронизируемыми генераторами до тех пор, пока не наступит баланс фаз при новых значениях частот. Новый установившийся режим показан на фиг.1 и 2. Ему соответствуют частоты f₁ и f₂. При определенных условиях фазовые сдвиги в синхронизируемых генераторах ϕ₁ и ϕ₂ много больше девиации фазы ϕ₀ входного сигнала. Оба генерируемых сигнала перемножаются в смесителе 4. С помощью полосного усилителя 5 выделяется сигнал, частота которого равна частоте f₀ входного сигнала, а начальная фаза равна
ϕ^* = ψ+ϕ₀+ϕ₂ = ψ+ϕ₁. (11)
В регистраторе 8 сравниваются два сигнала одинаковой частоты с фазовым сдвигом относительно друг друга, равным ϕ₁, который может быть много больше ϕ₀.
Преобразователь начальной фазы 3 содержит смеситель 9, к обоим входам которого и ко входу многокаскадного полосного усилителя 12 подключен выход полосного усилителя 11, вход которого является входом преобразователя, смеситель 10, к первому входу которого подключен выход смесителя 9, ко второму входу подключен выход многокаскадного полосного усилителя 12, а выход является выходом преобразователя.

Преобразователь начальной фазы 3 работает следующим образом.

Полосный усилитель 11 и все каскады трехкаскадного полосного усилителя 12 имеют одинаковую добротность, эквивалентную крутизне фазочастотной характеристики генератора 6, и настроены на его парциальную частоту. При смещении частот генерируемых сигналов относительно резонансных частот в усилителе 11 и в каждом каскаде трехкаскадного усилителя 12 сигнал приобретает дополнительный фазовый сдвиг Δϕ. В результате, если начальная фаза входного сигнала преобразователя 3 была ψ^*, то на выходе усилителя 12 его начальная фаза будет Начальная фаза сигнала с двойной частотой на выходе смесителя 9 будет 2ψ^*. У сигнала на выходе смесителя 10 с разностной частотой, равной частоте входного сигнала преобразователя 3, после усилителя 11 начальная фаза будет равна (2ψ^*-ψ^*-3Δϕ+Δϕ). В синхронизируемом генераторе 6 сигнал получает дополнительный фазовый сдвиг Δϕ, в результате начальная фаза генерируемого сигнала на его выходе будет равна (ψ^*-Δϕ). Все указанное справедливо при любом отклонении частоты генерируемого сигнала от соответствующей резонансной частоты усилителей, равной парциальной частоте генератора. Эквивалентная фазочастотная характеристика каскадного соединения преобразователя начальной фазы 3 и генератора 6 будет инверсной по отношению к фазочастотной характеристике генератора 6.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет во много раз увеличить девиацию фазы выходного сигнала относительно фиксированной начальной фазы опорного сигнала по сравнению с девиацией фазы входного сигнала и создать на его основе "фазовые усилители" по аналогии с амплитудными усилителями.

Источники информации
1. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев и др. - М.: Радио и связь, 1990, 432 с.

2. Авт. св. СССР 754442, G 06 G 7/26. Способ линеаризации характеристик дифференциальных частотных датчиков. / Шакурский В.К., Моргунов Ю.И. Опубл. 07.08.80. Бюл. 29.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для преобразования (П) фазы (Ф) с заданным коэффициентом П. Технический результат заключается в увеличении девиации Ф. Способ основан на синхронизации частот (Ч) периодических сигналов (С), в котором перемножают (4) первый и второй синхронизируемые сигналы (СС), выделяют (5) выходной С с разностной или суммарной Ч и регистрируют (8) его начальную Ф относительно начальной Ф входного опорного С. Затем перемножают (1) первый СС и входной С, выделяют второй С синхронизации с разностной Ч, которым синхронизируют (6) второй СС. Далее перемножают (7) второй СС с входным опорным С, выделяют первый СС с разностной или суммарной Ч, которым синхронизируют (2) первый СС. Кроме этого, у одного из СС дополнительно преобразуют (3) начальную Ф таким образом, чтобы фазовый сдвиг между СС и синхронизируемым С стал инверсным по отношению к соответствующему фазовому сдвигу до П. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ преобразования девиации фазы периодического сигнала, основанный на синхронизации частот периодических сигналов, заключающийся в том, что перемножают первый и второй синхронизируемые сигналы, выделяют выходной сигнал с разностной или суммарной частотой и регистрируют его начальную фазу относительно начальной фазы входного опорного сигнала, отличающийся тем, что перемножают первый синхронизируемый сигнал и входной сигнал, выделяют второй сигнал синхронизации с разностной частотой, которым синхронизируют второй синхронизируемый сигнал, перемножают второй синхронизируемый сигнал с входным опорным сигналом, выделяют первый сигнал синхронизации с разностной или суммарной частотой, которым синхронизируют первый синхронизируемый сигнал, кроме этого, у одного из сигналов синхронизации дополнительно преобразуют начальную фазу таким образом, чтобы фазовый сдвиг между сигналом синхронизации и синхронизируемым сигналом стал инверсным по отношению к соответствующему фазовому сдвигу до преобразования.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для преобразования начальной фазы одного из сигналов синхронизации сигнал синхронизации умножают сам на себя, выделяют сигнал с удвоенной частотой, перемножают его с исходным сигналом синхронизации, у которого дополнительно смещают начальную фазу, выделяют сигнал с разностной частотой и им синхронизируют соответствующий синхронизируемый сигнал.