СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИИ СИГНАЛА Российский патент 2005 года по МПК H03C3/38 H03C1/54 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиолокации, связи и технике радиоизмерений.

Известно, что передача информации по радиоканалу может осуществляться путем модуляции амплитуды А, частоты ω или фазы ϕ гармонического сигнала:

когда по крайней мере один из этих параметров изменяется во времени по заданному η(t) закону модуляции: А=A₀(1+η_АМ(t)), ω=ω₀+Δω₀η_FM(t), ϕ=ϕ₀+φ₀η_РМ(t) где Δƒ₀ - девиация (максимальное отклонение) частоты, ω₀ - частота модулируемого колебания (центральная частота модулированного сигнала), ϕ₀ - начальная фаза, φ₀ - девиация фазы, η_АМ(t), η_FM(t) и η_PM(t) - нормированные законы изменения во времени амплитуды, частоты и фазы. Понятие \угловая модуляция\ объединяет частотную (FM) и фазовую (РМ) модуляцию, а модулированное по углу колебание может быть описано выражением:

причем колебания, модулированные по частоте и фазе, идентичны (U_FM(t)=U_PM(t)), если функция изменения частоты есть производная функции изменения фазы. Это означает, что для получения FM сигнала достаточно осуществить РМ по закону интеграла заданного закона частотной модуляции. При угловой модуляции по гармоническому закону девиация фазы φ₀ (в радианах) численно равна индексу модуляции, равному отношению (Δƒ₀/F_м) девиации частоты (Δω₀=2πΔƒ₀) к частоте модуляции ( Ω_m=2πF_m=2π/T_m).

Известны классические способ и устройство для фазовой модуляции сигнала (см. Артым А.Д. Теория и методы частотной модуляции. \Госэнергоиздат\, М., 1961, стр.112), когда модулируемое колебание (U(t)=U₀sin(ω₀t)) перемножают с модулирующим сигналом U_M(t)=U_0M(t)η_РМ(t), получая первое слагаемое - амплитудно-модулированное (AM) колебание с подавленной несущей вида U₍₁₎(t)=U_0m(t)η_PM(t)sin(ω₀t). Одновременно из модулируемого колебания сдвигом его фазы на π/2 формируют квадратурное колебание (второе слагаемое) и суммируют его с первым слагаемым, получая суммарный модулированный по углу и амплитуде сигнал вида

где . Девиация фазы при ФМ имеет порядок величины . Очевидно, что из-за наличия функции η_PM(t) в выражении для амплитуды модулированного сигнала A_Σ(t) фазовая модуляция неизбежно сопровождается паразитной амплитудной модуляцией (ПАМ), связанной с η_PM(t) нелинейной зависимостью. Фаза модулированного сигнала ϕ_Σ(t) в общем случае не линейно (через функцию арктангенса) связана с законом модуляции η_РМ(t), что является причиной нелинейных искажений. Область применимости способа-прототипа определяется условием (или когда справедливо приближенное выражение .

Устройство для реализации способа содержит балансный модулятор (перемножитель сигнала), фазовращатель и сумматор, причем фазовращатель и первый вход балансного модулятора соединены с входом модулируемого сигнала устройства, а выход балансного модулятора подключен к первому входу сумматора, выход которого является выходом устройства. Второй вход балансного модулятора подключен к входу модулирующего сигнала устройства, а выход фазовращателя соединен со вторым входом сумматора.

Несомненным достоинством способа является возможность технической реализации модулятора на основе простых схем и дешевых полупроводниковых приборов, открывшая путь к широкому использованию его в аппаратуре различного назначения. Приведенные способ и устройство являются ближайшим аналогом (прототипом) настоящего изобретения. Недостатки прототипа - низкое, порядка единицы, предельное значение девиации фазы (φ₀). При увеличении φ₀ недопустимо возрастают паразитная амплитудная модуляция (ПАМ) и нелинейные искажения закона угловой модуляции относительно модулирующего сигнала.

Способ-прототип и устройства, его реализующие, хорошо работают при малых (меньших радиана) значениях девиации фазы, когда спектры AM и РМ колебаний, модулированных одним и тем же сигналом, отличаются только фазами составляющих. По мере роста девиации фазы появляются качественные отличия - в спектре РМ появляются составляющие, связанные с гармониками модулирующего сигнала, отсутствующие в спектре AM сигнала. Упомянутые выше ограничения по значению девиации фазы, ПАМ и нелинейные искажения есть прямые следствия этого явления.

Многочисленными усовершенствованиями способа и устройства, которые можно считать аналогами настоящего изобретения (см., например, патент США №4028641, а.с. СССР №720679, а также Соколинский В.Г., Шейнкман В.Г. Частотные и фазовые модуляторы. \Радио и связь\, М., 1983, стр.120, Е.М. Верещагин, Ю.Г. Никитенко. Частотная и фазовая модуляция в технике связи. М., \Связь\, 1974, стр.125), достигается некоторое уменьшение ПАМ и нелинейных искажений, однако основной недостаток - низкое значение предельного значения девиации фазы (индекса модуляции) - остался не преодоленным. По этой причине для получения колебаний, модулированных по углу с большими индексами модуляции, применяют другие, более сложные и дорогостоящие способы (см., например, В.Н. Кочемасов и др. Формирование сигналов с линейной частотной модуляцией. М., \Радио и связь\, 1983, стр.46).

Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для угловой модуляции сигнала, не имеющих ограничений по значению девиации фазы при практическом отсутствии паразитной амплитудной модуляции и нелинейных искажений.

Указанный технический результат достигается способом угловой модуляции сигнала, характеризующимся тем, что формируют сигнал, квадратурный по отношению к модулируемому, из модулирующего сигнала, соответствующего заданному закону фазовой модуляции, формируют вторичные косинусный и синусный модулирующие сигналы, пропорциональные, соответственно, его косинусу и синусу, перемножают попарно модулируемый и квадратурный ему сигналы с вторичными косинусным и синусным модулирующими сигналами и получают выходной модулированный сигнал путем суммирования результатов перемножения.

Указанный технический результат достигается также устройством для угловой модуляции сигнала, содержащем балансный модулятор, фазовращатель и сумматор, причем вход фазовращателя и первый вход балансного модулятора соединены с входом модулируемого сигнала устройства, а выход балансного модулятора подключен к первому входу сумматора, выход которого является выходом устройства, в которое, согласно изобретению, введены второй балансный модулятор и генератор вторичных - косинусного и синусного - модулирующих сигналов, пропорциональных косинусу и синусу модулирующего сигнала, соответствующего заданному закону фазовой модуляции, при этом выход фазовращателя подключен к первому входу второго балансного модулятора, выходы косинусного и синусного модулирующих сигналов генератора соединены соответственно со вторыми входами первого и второго балансных модуляторов, а выход второго балансного модулятора подключен ко второму входу сумматора. Генератор вторичных модулирующих сигналов может иметь вход внешнего сигнала, связанный с соответствующим входом устройства.

Общим настоящего изобретения с прототипом является использование амплитудно-модулированного колебания, а отличие состоит в том, что модулируемый сигнал и его квадратурный вариант модулируют двумя вторичными сигналами, сформированными определенными нелинейными преобразованиями модулирующего сигнала. Алгоритмы этих преобразований выбираются такими, чтобы каждое из двух амплитудно-модулированных колебаний-слагаемых представляло собой часть сигнала, модулированного по углу. Полный модулированный по углу сигнал получают сложением этих AM колебаний.

Если без ущерба для общности принять ϕ₀=0, то модулированный по углу сигнал (см. (2))

при ϕ_m(t)φ=η_РМ(t) может быть представлен в виде суммы (U_m(t)=U_m(1)(t)+U_m(2)(t)) двух колебаний-слагаемых:

Колебания (5) и (6) могут быть получены путем попарного перемножения модулируемого и квадратурного ему сигналов с двумя сигналами, пропорциональными, соответственно, cosϕ_m и sinϕ_m. Эти колебания представляют собой амплитудно-модулированные сигналы с подавленными несущими. Следовательно, для получения модулированного по углу сигнала (2) выполняют следующие операции:

- из модулируемого сигнала U(t)=U₀sinω₀t сдвигом фазы на π/2 получают квадратурный сигнал U^⊥(t)=U₀cosω₀t,

- из модулирующего сигнала, соответствующего заданному закону фазовой модуляции U_M(t)=U_0M(t)η_PM(t), нелинейным преобразованием вида у=cosx формируют вторичный косинусный модулирующий сигнал и перемножением с ним модулируемого сигнала U₀sinω₀t получают первое колебание-слагаемое (5) - AM колебание с подавленной несущей,

- из модулирующего сигнала U_M(t)=U_0M(t)η_PM(t) нелинейным преобразованием вида y=sinx формируют вторичный синусный модулирующий сигнал и перемножением с ним сигнала U₀cosω₀t, квадратурного модулируемому, получают второе колебание-слагаемое (6) - AM колебание с подавленной несущей,

- суммированием первого и второго колебаний-слагаемых (5) и (6) получают модулированный по углу сигнал вида (2):

Если задан закон частотной модуляции (η_FM(t)), то требуемый закон фазовой модуляции (η_PM(t)) получают путем его интегрирования. Изменение порядка попарного перемножения, то есть перемножение модулируемого сигнала с синусным вторичным модулирующим сигналом, а квадратурного, соответственно, с косинусным, изменяет только знак угловой модуляции.

В модулированном сигнале (7) отсутствует зависимость амплитуды от времени, а закон изменения фазы линейно связан с модулирующим сигналом (η_РМ(t)) при^{произвольных значениях девиации фазы. Это означает отсутствие ПАМ и нелинейных искажений, что и является задачей изобретения. Положительный эффект изобретения объясняется следующим. При угловой модуляции с большой девиацией фазы (в отличие от AM) имеет место скрытое нелинейное преобразование, которое проявляется в том, что спектр боковых полос модулированного сигнала существенно расширен относительно спектра модулирующего сигнала за счет появления гармоник модулирующего сигнала. В предлагаемом способе идентичное нелинейное преобразование, сопровождающееся расширением спектра, проводят при формировании вторичных модулирующих сигналов, что позволяет получить модулированное по углу колебание как сумму двух колебаний, модулированных по амплитуде вторичными модулирующими сигналами. В устройстве для угловой модуляции организовать его работу по предлагаемому алгоритму позволяет введение второго балансного модулятора и генератора вторичных модулирующих сигналов.}

Если φ₀<1, то выражения (5) и (6) упрощаются: U₍₁₎(t)≈U₀sinω₀t_, U₍₂₎(t)=U₀φ₀η_PM(t)cosω₀t. Суммирование их дает приведенную ранее формулу фазовой модуляции ближайшего аналога, который можно считать, таким образом, частным случаем настоящего изобретения в линейном приближении при φ₀<1.

Устройство для реализации способа (модулятор) содержит, как и прототип, балансный модулятор, фазовращатель и сумматор, причем вход фазовращателя и первый вход балансного модулятора соединены с входом модулируемого сигнала устройства, а выход балансного модулятора подключен к первому входу сумматора, выход которого является выходом устройства. Дополнительно устройство содержит второй балансный модулятор, первый вход которого подключен к выходу фазовращателя, а выход - к второму входу сумматора, а также генератор вторичных модулирующих сигналов (ВМС), формирующий на основе заданного закона угловой модуляции вторичные (синусный и косинусный) модулирующие сигналы. Выходы генератора соединены со вторыми входами первого и второго балансных модуляторов. В варианте устройства генератор ВМС может иметь вход внешнего сигнала, связанный с соответствующим входом устройства.

Далее изобретение поясняется с помощью чертежей, где на фигуре 1 представлена структурная схема устройства для угловой модуляции сигнала, на фигуре 2 - блок-схема основного алгоритма устройства, на фигуре 3 показаны расчетные осциллограммы основных сигналов устройства при частном случае гармонической угловой модуляции.

Устройство для угловой модуляции сигнала содержит фазовращатель 1, генератор вторичных модулирующих сигналов (ВМС) 2, первый и второй балансные модуляторы, соответственно 3, 4, и сумматор 5. Вход фазовращателя 1 и первый вход первого балансного модулятора 3 соединены с входом модулируемого сигнала устройства, а выход фазовращателя 1 подключен к первому входу второго балансного модулятора 4. Первый и второй выходы генератора ВМС 2 соединены соответственно со вторыми входами первого и второго балансных модуляторов 3 и 4 соответственно, выходы которых подключены к первому и второму входам сумматора 5. Выход сумматора 5 является выходом устройства. Генератор ВМС 2 может иметь вход внешнего сигнала, связанного с соответствующим входом устройства.

В качестве фазовращателя 1 может быть использована, например, обычная дифференцирующая RC или RL цепь. Иногда удобно вместо одного фазовращателя на π/2 использовать так называемый фазовый расщепитель, состоящий из двух включенных параллельно фазовращателей на π/4 и -π/4. Балансные модуляторы 3 и 4, выполняющие обычную в радиоэлектронике функцию получения AM колебания с подавленной несущей (SSD), могут быть реализованы, например, по схеме двухдиодного балансного смесителя.

Генератор вторичных модулирующих сигналов (ВМС) 2 допускает множество вариантов исполнения, определяемых, в основном, конкретными условиями применения устройства. В простейшем случае генератор ВМС 2 выполняется, например, в виде двух цифро-аналоговых преобразователей, входы которых связаны через цифровой вход устройства с внешним процессором. Процессор вычисляет ВМС из заданного модулирующего сигнала и передает полученные сигналы в виде цифровых кодов через цифровой вход устройства на вход генератора ВМС. В другом варианте генератора ВМС закон угловой модуляции может быть записан в память ПЗУ, входящего в состав генератора ВМС. Если модулирующий сигнал поступает на вход устройства (модулятора) или генерируется им в аналоговой форме, то ВМС могут быть получены из него с помощью аналогового процессора. В последнем случае на вход ВМС может поступать синхронизирующий, например, импульсный сигнал.

Сумматор сигналов 5 выполняется по любой известной схеме на пассивных или активных элементах.

Предлагаемый способ угловой модуляции сигнала с использованием предлагаемого устройства для угловой модуляции сигнала осуществляют следующим образом.

С помощью фазовращателя 1 из модулируемого сигнала (блок 1, фиг.2) формируют (блок 2) квадратурный ему сигнал (блок 8). Основной (блок 1) и квадратурный модулируемые сигналы подают на первые входы соответственно первого и второго балансных модуляторов 3 и 4. С помощью генератора ВМС 2 из модулирующего сигнала (блок 2) формируют (блоки 3 и 8) вторичные модулирующие сигналы - косинусный (блок 4) и синусный (блок 10), которые подают на вторые входы соответственно первого и второго балансных модуляторов 3 и 4. С помощью балансных модуляторов 3, 4 перемножают (блоки 4 и 11) попарно основной и квадратурный модулируемые сигналы с косинусным и синусным вторичными модулирующими сигналами. Результирующие колебания (блоки 6 и 12) суммируют (блок 13) сумматором 5, после чего получают выходной сигнал (блок 14), модулированный по углу.

На фиг.3 представлены расчетные осциллограммы важнейших сигналов устройства, вычисленные с помощью программы MATHCAD для частного случая гармонической синусоидальной модуляции фазы. Номера кривых на фиг.3 совпадают с номерами блоков алгоритма (фиг.2). Графики демонстрируют, что при больших значениях девиации фазы (φ₀=15) какие-либо признаки НАМ и нелинейных искажений в выходном сигнале 14 отсутствуют. При гармонической угловой модуляции (η_PM(t)=φ₀sin( Ω_mt)) с помощью известных соотношений для функций Бесселя (см., например, А.А.Харкевич. "Спектры и анализ". Москва, ГИФМЛ, 1962, стр.39) легко определяются спектры вторичных сигналов. Оказывается, что косинусный сигнал содержит постоянную составляющую и четные гармоники частоты модуляции, а синусный - только нечетные гармоники.

Предложенные способ и устройство позволяют простыми средствами осуществлять широкополосную частотную модуляцию проходящего сигнала при произвольных значениях девиации фазы без шумового расширения его спектральной линии, что необходимо, например, в радиолокации. Существенно упрощается решение важной для дальнометрии и радиоизмерений проблемы формирования ЛЧМ сигналов с высокой линейностью изменения частоты. Различие в коэффициентах передачи каналов формирования колебаний-слагаемых может быть причиной незначительной паразитной амплитудной модуляции. Последняя может быть устранена либо ограничителем амплитуды, подключенным к выходу устройства, либо системой автоматического регулирования одного из колебаний-слагаемых.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиолокации, связи и технике радиоизмерений. Достигаемый технический результат - получение произвольных значений девиации фазы при практическом отсутствии паразитной амплитудной модуляции и нелинейных искажений. Способ характеризуется тем, что формируют сигнал, квадратурный по отношению к модулируемому, из модулирующего сигнала формируют вторичные косинусный и синусный модулирующие сигналы, пропорциональные его косинусу и синусу, перемножают попарно модулируемый и квадратурный ему сигналы с вторичными косинусным и синусным модулирующими сигналами и суммируют результаты перемножения. Устройство для угловой модуляции содержит два балансных модулятора, фазовращатель, сумматор и генератор вторичных модулирующих сигналов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ угловой модуляции сигнала, характеризующийся тем, что формируют сигнал, квадратурный по отношению к модулируемому, из модулирующего сигнала U_M(t)=U_OM(t)η_РМ(t), соответствующего заданному закону фазовой модуляции вида φ_оη_РМ(t), где φ_о - индекс модуляции, формируют вторичные косинусный и синусный модулирующие сигналы вида U_M ^(cos)(t)=cos(φ_оη_РМ(t)) и U_M ^(sin)(t)=sin(φ_оη_РМ(t)), пропорциональные соответственно косинусу и синусу модулирующего сигнала, перемножают попарно модулируемый и квадратурный ему сигналы с вторичными косинусным и синусным модулирующими сигналами и получают выходной модулированный сигнал путем суммирования результатов перемножения.2. Устройство для угловой модуляции сигнала, содержащее первый и второй балансные модуляторы, фазовращатель, генератор вторичных модулирующих сигналов и сумматор, причем генератор вторичных модулирующих сигналов выполнен с возможностью формирования из модулирующего сигнала U_м(t)=U_ОМ(t)η_РМ(t), соответствующего заданному закону фазовой модуляции вида φ_оη_РМ(t), где φ_о - индекс модуляции, вторичных косинусного и синусного модулирующих сигналов вида U_M ^(cos)(t)=cos(φ_оη_РМ(t)) и U_M ^(sin)(t)=sin(φ_оη_РМ(t)), пропорциональных соответственно косинусу и синусу модулирующего сигнала, вход фазовращателя и первый вход первого балансного модулятора соединены с входом модулируемого сигнала устройства, первый вход второго балансного модулятора подключен к выходу фазовращателя, выходы косинусного и синусного модулирующих сигналов генератора вторичных модулирующих сигналов соединены соответственно со вторыми входами первого и второго балансных модуляторов, выходы которых подключены ко входам сумматора, выход которого является выходом устройства.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что генератор вторичных модулирующих сигналов имеет вход внешнего сигнала, связанный с соответствующим входом устройства.