БЕЗЫНЕРЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ОБОБЩЕННОГО АМ-СИГНАЛА Российский патент 2011 года по МПК H03D1/06 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к радиотехнике и измерительной технике.

Уровень техники.

Амплитудные детекторы подобного назначения известны.

1. Энергетический амплитудный детектор. Авторское свидетельство на изобретение №171027 от 19.12.63 г. Авторы: С.С.Зельманов и Д.В.Агеев.

Этот первый аналог изобретения основан на использовании закона изменения полной энергии колебаний в контуре, находящемся под воздействием АМ-сигнала, для определения закона изменения огибающей этого сигнала. Он отличается от известных тем, что для исключения влияния соотношения несущей и модулирующей частот детектируемого сигнала параллельно конденсатору контура и сопротивлению, включенному последовательно в цепь контура, присоединены входы четырехполюсников с квадратичными характеристиками, а выходы четырехполюсников подключены к сумматору, выход которого является выходом схемы детектора. Блок-схема описываемого детектора изображена на Фиг.1.

Напряжения, снимаемые с резистора R и конденсатора С, подаются на входы квадраторов 1 и 2 соответственно. Напряжения, снимаемые с выходов квадраторов, пропорциональные величинам электрической и магнитной энергий контура, подаются на вход сумматора 3. Выражение для полной энергии колебаний в контуре имеет вид:

где u_C(t) - напряжение на конденсаторе, i(t) - ток в контуре.

Это выражение для энергии может быть преобразовано к виду:

где

Если на входе контура действует АМ-сигнал, то с выхода контура, с емкости, снимается сигнал вида:

u_C(t)=U(t)Sin(ω₀t+φ₀)

Примем для упрощения преобразований сопротивление контура равным 1 Ом. Тогда напряжение, снимаемое с резистора контура, будет иметь вид: . Выражение для энергии контура может быть представлено так:

где .

Из этого выражения следует, что при относительно малой величине производной огибающей АМ-сигнала можно пренебречь вторым и третьим слагаемыми в выражении (2). Тогда напряжение на выходе сумматора 3 энергетического детектора может быть достаточно точно представлено выражением (3):

Такой детектор мы будем называть квадратичным энергетическим детектором. Операция энергетического детектирования является по существу безынерционной дифференциальной операцией. Недостатком этого устройства является наличие на выходе детектора «остатка», обусловленного вторым и третьим слагаемыми выражения (2). Наличие этого «остатка» приводит к искажениям, которые возрастают при сближении частот модулирующего и несущего сигнала. При этом не достигается высокая точность детектирования. Более совершенным устройством, в котором частично устраняется этот недостаток, является следующий аналог, представляющий собой прототип. С точки зрения поставленной задачи его совокупность признаков является наиболее близкой к совокупности существенных признаков предлагаемого изобретения.

2. Энергетический амплитудный детектор. Авторское свидетельство на изобретение №1385243 от 27.03.86 г. Автор С.С.Зельманов.

Приведем теоретические предпосылки, которые послужили основой для создания функциональной схемы этого детектора.

Обратимся к выражению для АМ-сигнала, которое содержит по существу два неизвестных: U(t) и φ₀.

где ψ(t)=ω₀t+φ₀

Необходимо определить вид такого уравнения, которое связывало бы функции U(t) и u(t), но было бы инвариантным по отношению к начальной фазе φ₀, т.е. начальная фаза φ₀ не должна входить в это уравнение в явном виде. Однако это уравнение должно удовлетворяться только при подстановке в него модулирующей функции U(t), соответствующей переданному сообщению. Выразим полную фазу АМ-колебания:

Продифференцируем обе части полученного выражения и учтем, что . Тогда получим:

После проведения преобразований выражение (6) примет вид:

Нелинейное уравнение (7) содержит неизвестную модулирующую функцию U(f) и ее производную . В качестве известных функций в это уравнение входит АМ-сигнал u(t)=u, его производная и частота ω₀.

Представим полученное уравнение в следующей форме:

Это нелинейное уравнение должно удовлетворяться только при подстановке в него модулирующей функции U(t) и ее производной. Этому уравнению соответствует функциональная блок-схема устройства под названием «Энергетический амплитудный детектор», которая представлена на Фиг.2.

Это устройство содержит источник входного сигнала 1, катушку индуктивности 2, конденсатор 3, резистор 4, квадраторы 5 и 6, сумматор 7, перемножители 8-10, инвертор 11, блок 12 извлечения квадратного корня, дифференциатор 13, блок деления 14, дополнительный квадратор 15.

Основой функциональной схемы, ее «ядром» является квадратичный энергетический детектор, т.е. рассмотренный первый аналог детектора, представленный элементами и блоками: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Ему соответствует операция, представленная двумя первыми членами под корнем выражения (8). Она выражает закон изменения энергии колебательного контура, находящегося под воздействием АМ-сигнала. Этот закон, представленный выражением (1) и раскрытый в выражении (2), наряду c U(t)² содержит нежелательный «остаток» в виде второго и третьего членов.

Техническая задача детектирования, т.е. задача определения огибающей АМ-сигнала, реализуется устройством, представленным на Фиг.2, состоит в повышении точности процесса безынерционного детектирования АМ-сигнала, реализуемого устройством-аналогом, функциональная блок-схема которого представлена на Фиг.1. Предполагается, что эта техническая задача может быть реализована за счет компенсации упомянутого «остатка» с помощью третьего и четвертого членов под корнем выражения (8). Для компенсации этого «остатка» необходимо в соответствии с выражением (8), чтобы с блока 12 в цепь обратной связи на входы блоков 13 и 14 подавалось напряжение огибающей U(t). Это требование идеальной модели устройства.

Реальный энергетический амплитудный детектор работает следующим образом. На вход первого квадратора 5 поступает сигнал, пропорциональный мгновенному значению напряжения на конденсаторе.

На вход второго квадратора 6 поступает сигнал, пропорциональный мгновенному значению тока в колебательном контуре.

Напряжения на выходах первого и второго квадраторов, подаваемые на первый и второй входы сумматора 7, пропорциональны соответственно электрической и магнитной энергиям колебательного контура. В сумматоре 7 образуется напряжение, пропорциональное полной энергии колебательного контура:

При этом второй, третий и четвертый члены выражения (11) являются «остатком», который служит причиной искажений выходного сигнала детектора. С выхода сумматора 7 сигнал подается на блок 12 извлечения квадратного корня. Одновременно сигналы с конденсатора 3 и резистора 4 подаются через первый перемножитель 8 и инвертор 11 на первый вход второго перемножителя 9, на второй вход которого поступает сигнал с выхода блока деления 14. На один вход блока деления 14 сигнал поступает с выхода дифференциатора 13, а на другой - с выхода блока извлечения квадратного корня 12. При этом в соответствии с уравнением (8) необходимо, чтобы с первого момента работы детектора, представленного на Фиг.2, на входы блоков 13 и 14 с выхода блока 12 подавалось бы напряжение огибающей АМ-сигнала U(t) без какого-либо «остатка». Тогда в сумматоре 7 будет иметь место полная компенсация «остатка». Это происходит так. Сформированное во втором перемножителе 9 напряжение подается на первый дополнительный вход сумматора 7 и имеет следующий вид:

На второй дополнительный вход сумматора 7 подается напряжение, сформированное в третьем перемножителе 10 и имеющее следующий вид:

Дополнительные входы сумматора 7 являются компенсационными, так как напряжения (12) и (13), подаваемые на эти входы, предназначены для компенсации «остатка», представленного вторым, третьим и четвертым членами выражения (11). Тогда в сумматоре (7) будет иметь место полная компенсация «остатка».

Однако при действии АМ-сигнала на входе схемы реального энергетического детектора с обратной связью в первые моменты времени на его выходе будет формироваться напряжение огибающей U(t) с некоторым «остатком». Это напряжение поступает в цепь обратной связи, т.е. на входы блоков 13 и 14. Поэтому цепь обратной связи вырабатывает напряжение, которое обеспечивает лишь частичную компенсацию «остатка» в сумматоре 7. Это подтверждают и результаты моделирования детектора с помощью Math Cad, представленные на Фиг.3.

На Фиг.3а представлена осциллограмма АМ-сигнала на входе детектора. Под ней располагаются соответственно: 3b - напряжение на выходе энергетического детектора без обратной связи, 3с - «остаток» при этом виде детектирования, 3d - напряжение на выходе энергетического детектора с обратной связью, 3е - «остаток» при этом виде детектирования. Исследование характера напряжения «остатка» в установившемся режиме для этих случаев показывает, что его величина уменьшается в 2 раза, но «остаток» полностью не компенсируется. Частота колебаний «остатка» увеличивается в 2 раза.

Из результата этого эксперимента следует:

1. Рассмотренный прототип - энергетический детектор с обратной связью обладает определенным преимуществом по сравнению с аналогом - энергетическим детектором без обратной связи, т.е. обратная связь в схеме детектора способствует уменьшению «остатка» в выходном напряжении детектора.

2. Улучшение качества напряжения огибающей АМ-сигнала, подаваемого на входы блоков 13 и 14, повышает качество выходного напряжения детектора, т.е. уменьшает величину «остатка».

3. С введением обратной связи частота колебаний «остатка» увеличивается в 2 раза, что облегчает задачу его фильтрации при необходимости.

Однако данное устройство-прототип обладает следующим недостатком. Он заключается в том, что его схемное решение позволяет лишь частично устранить «остаток» в выходном сигнале детектора, получающийся в результате процесса детектирования входного АМ-сигнала. Кроме того, величина этого «остатка» будет увеличиваться при сближении частот модулирующего и несущего колебаний. Это означает, что прототип может работать лишь при условии, что ω₀>Ω, т.е. величина частоты несущего колебания будет больше величины частоты модулирующего сигнала. Он не решает задачу полного устранения «остатка» и не может быть использован при детектировании обобщенного АМ-сигнала, для которого характерно любое соотношение величин частот модулирующего и несущего колебаний.

Раскрытие изобретения.

Технической задачей или целью настоящего предлагаемого изобретения является повышение качества сигнала на выходе детектора за счет полного исключения «остатка» в выходном сигнале детектора по отношению к результату, обеспеченному устройством-прототипом, при отсутствии всех ограничений на соотношение между несущей и модулирующей частотами АМ-сигнала, действующего на входе амплитудного детектора. Такой АМ-сигнал называется обобщенным. Этот результат достигается за счет определения точного значения начальной фазы φ₀ детектируемого обобщенного АМ-сигнала u(t), создания в детекторе гармонического колебания Sin(ω₀t+φ₀) с требуемым значением начальной фазы и получения на выходе детектора напряжения модулирующей функции U(t) обобщенного АМ-сигнала путем деления напряжения принимаемого обобщенного АМ-сигнала, действующего на входе детектора, на напряжение упомянутого гармонического колебания. Математически эта процедура может быть представлена соотношением вида:

где u(t)=U(t)·Sin(ω₀t+φ₀)

Техническая задача может быть решена с достижением предлагаемого технического результата за счет создания схемы безынерционного детектора обобщенного АМ-сигнала (Фиг.4).

При этом в схему энергетического амплитудного детектора-прототипа, который содержит последовательно соединенные источник входного сигнала 1, катушку индуктивности 2, конденсатор 3, резистор 4, квадраторы 5 и 6, сумматор 7, перемножители 8, 9, 10, инвертор 11, блок извлечения квадратного корня 12, дифференциатор 13, блок деления 14 и дополнительный квадратор 15, вводятся дополнительно блок сравнения 16, блок деления 17, фазомодулированный генератор гармонического сигнала 18, вход которого подключен к выходу блока сравнения 16, первый вход которого подключен к выходу блока извлечения квадратного корня 12, отключенного от соединенных между собой входов дифференциатора 13 и второго входа блока деления 14, которые подключены к второму входу блока сравнения 16 и выходу блока деления 17, первый вход которого соединен с выходом генератора гармонического сигнала 18, второй вход блока деления 17 соединен с точкой соединения катушки индуктивности 2 и конденсатора 3, а выход блока деления 17 является выходом безынерционного детектора обобщенного АМ-сигнала.

Рассмотрим теоретические соображения, положенные в основу предлагаемого устройства и принцип его работы.

Если АМ-сигнал в общем случае имеет вид u(t)=U(t)sin(ω₀t+φ₀), то алгоритм амплитудного детектирования может быть представлен выражением (14). Неопределенность этой операции заключается в том, что на приеме всегда неизвестна начальная фаза φ₀. Это означает, что любому значению начальной фазы φ_k соответствует своя функция огибающей U(t). Однако только одно значение φ_k=φ₀ дает истинную огибающую, то есть переданное сообщение. Поэтому задача сводится к автоматическому определению и установлению этой фазы в фазомодулированном генераторе гармонического сигнала 18. После этого снимаемый с конденсатора 3 контура входной сигнал подается на блок 17 делителя, где происходит его деление на напряжение гармонического сигнала, поступающего с генератора 18. В результате на выходе делителя 17 получается напряжение модулирующего сигнала без какого-либо «остатка», т.е. выполняется операция (14).

Для автоматического определения точного значения начальной фазы φ₀ используется некоторая особенность работы схемы энергетического детектора с обратной связью, который, будучи прототипом, является составной частью схемы безынерционного детектора обобщенного АМ-сигнала. Рассмотрим эту особенность, используя функциональную блок-схему прототипа, представленную на Фиг.2, в которой выход блока 12 отключен от соединенных между собой входов блока 13 и блока 14, т.е.цепь обратной связи разомкнута (Фиг.5).

На вход первого квадратора 5 поступает сигнал, пропорциональный мгновенному значению напряжения на конденсаторе.

На вход второго квадратора 6 поступает сигнал, пропорциональный мгновенному значению тока в колебательном контуре.

Напряжения на выходах первого и второго квадраторов, подаваемые на первый и второй входы сумматора 7, пропорциональны соответственно электрической и магнитной энергиям колебательного контура. В сумматоре 7 образуется напряжение, пропорциональное полной энергии колебательного контура:

При этом второй, третий и четвертый члены выражения (11) являются «остатком», который служит причиной искажений выходного сигнала детектора. С выхода сумматора 7 сигнал подается на блок 12 извлечения квадратного корня. Одновременно сигналы с конденсатора 3 и резистора 4 подаются через первый перемножитель 8 и инвертор 11 на первый вход второго перемножителя 9, на второй вход которого поступает сигнал с выхода блока деления 14. На один вход блока деления 14 сигнал поступает с выхода дифференциатора 13, а на другой - с выхода блока извлечения квадратного корня 12. При этом в соответствии с уравнением (8) необходимо, чтобы с первого момента работы детектора, представленного на Фиг.2, на входы блоков 13 и 14 подавалось бы напряжение огибающей АМ-сигнала U(t). Тогда в сумматоре 7 могла бы иметь место полная компенсация «остатка». В этом случае сформированное во втором перемножителе 9 напряжение подается на первый дополнительный вход сумматора 7 и имеет следующий вид:

На второй дополнительный вход сумматора 7 подается напряжение, сформированное в третьем перемножителе 10 и имеющее следующий вид:

Дополнительные входы сумматора 7 являются компенсационными, так как напряжения (18) и (19), подаваемые на эти входы, предназначены для компенсации «остатка», представленного вторым, третьим и четвертым членами выражения (17). Тогда в сумматоре (7) будет иметь место полная компенсация «остатка». В этом можно убедиться, если сложив (18) и (19), прибавить результат к выражению (17).

Однако в схеме прототипа на соединенные между собой входы блоков 13 и 14 подается напряжение огибающей вместе с «остатком» с выхода блока 12. Это обстоятельство делает невозможным полное устранение «остатка» в рамках модели прототипа, но позволяет выяснить особенность этой модели, которая может быть использована для ее усовершенствования.

Если в соответствии с уравнением (8) и выражениями (17), (18) и (19) на входы блоков 13 и 14, отсоединенные от выхода блока 12, подать напряжение огибающей АМ-сигнала U(t), как это представлено на Фиг.5, то на выходе блока 12 также появится напряжение огибающей АМ-сигнала U(t). Формы этих сигналов будут совпадать. Если же на соединенные между собой входы блоков 13 и 14 подать какое-либо другое, отличное по форме от U(t) напряжение, то на выходе блока 12 появится напряжение, существенно отличающееся по форме, как от напряжения U(t),так и от напряжения, поданного на соединенные между собой входы блоков 13 и 14. Это означает, что функциональная блок-схема, представленная на Фиг.5, является чувствительным элементом для определения истинной огибающей обобщенного АМ-сигнала, действующего на входе детектора. На Фиг.4. функциональной блок-схемы предлагаемого безынерционного детектора обобщенного АМ-сигнала рассмотренный прототип детектора является фрагментом, содержащим блоки с 1-го по 12-й включительно. При этом выход 12-го блока и соединенные между собой входы 13-го и 14-го блоков подключены соответственно к первому и второму входам вновь введенного блока сравнения 16, в котором в соответствии с определенным критерием со среднеквадратичным критерием происходит сравнение по форме сигнала u₁₂(t), поступающего с выхода блока 12, с сигналом u₁₇(t), поступающим с выхода блока 17. В качестве критерия оценки в различии формы сигналов u₁₂(t) и u₁₇(t) принят критерий среднеквадратичного отклонения вида:

Блок 17 является делителем напряжения входного обобщенного АМ-сигнала, поступающего с конденсатора 3 входного контура, на гармоническое напряжение, поступающее от фазомодулированного генератора 18, начальная фаза колебания которого регулируется сигналом рассогласования форм u₁₂(t) и u₁₇(t) с выхода блока сравнения 16. Эта регулировка начальной фазы происходит до момента, пока напряжения u₁₂(t) и u₁₇(t) не совпадут по форме (ΔФ=0). В этот момент начальная фаза генератора 18 приобретает значение φ₀, и с выхода безынерционного детектора обобщенного АМ-сигнала, совпадающего с выходом блока 17, одним из входов блока 16 и соединенными между собой входами блоков 13 и 14 начинает поступать напряжение U(t) огибающей обобщенного АМ-сигнала без какого-либо «остатка» в соответствии с выражением (14). Кроме того, заметим, что результат деление в блоке 17 входного АМ-сигнала на гармоническое напряжение генератора 18 никак не связано с соотношением между величинами частот несущего и модулирующего сигналов. Результаты моделирования работы безынерционного детектора обобщенного АМ-сигнала с помощью Math Cad, подтверждающие эти качества и преимущества предлагаемого изобретения, представлены на Фиг.6. и Фиг.7.

Из результата этого эксперимента следует:

1. Безынерционный детектор обобщенного АМ-сигнала обеспечивает на своем выходе напряжение модулирующей функции обобщенного АМ-сигнала без какого-либо «остатка».

2. Результат детектирования, обеспечиваемый безынерционным детектором обобщенного АМ-сигнала, не зависит от соотношения величин несущей и модулирующей частот обобщенного АМ-сигнала.

Изобретение относится к области радиотехники и измерительной техники и может быть использовано при создании безынерционных детекторов радиоприемных устройств АМ-сигналов, а также для целей измерения параметров этих сигналов. Техническим результатом является способность детектировать без какого-либо «остатка» АМ-сигнал при любых отношениях значений его несущей и модулирующей частот. Действие детектора основано на автоматическом определении неизвестной начальной фазы принимаемого обобщенного АМ-сигнала и его делении на формируемое в детекторе гармоническое колебание с этой начальной фазой. При этом в отличие от энергетического детектора с однократной обратной связью не возникает какого-либо «остатка». Для автоматического определения начальной фазы принимаемого АМ-сигнала используется особенность встроенного в безынерционный детектор энергетического детектора-прототипа. Эта особенность состоит в том, что при размыкании обратной связи энергетического детектора-прототипа он адекватно реагирует только на модулирующую функцию принимаемого АМ-сигнала. В результате при использовании критерия идентичности форм сигналов удается выбрать из совокупности формируемых огибающих истинную модулирующую функцию АМ-сигнала. 7 ил.

Безынерционный детектор обобщенного АМ-сигнала, содержащий последовательно соединенные источник входного сигнала, катушку индуктивности, конденсатор и резистор, а также первый и второй квадраторы, сумматор, первый, второй и третий перемножители, инвертор, блок извлечения квадратного корня, дифференциатор, блок деления и дополнительный квадратор, при этом второй вывод резистора соединен со вторым выводом источника входного сигнала, а первый вход первого квадратора подключен к точке соединения катушки индуктивности и конденсатора, первый вход второго квадратора подключен к точке соединения резистора и источника входного сигнала, второй вывод конденсатора подключен к общей шине, выходы первого и второго квадраторов соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, а первый и второй входы первого перемножителя соединены соответственно с первыми входами первого и второго квадраторов, выход первого перемножителя через инвертор подключен к первому входу второго перемножителя, выход которого соединен с первым дополнительным входом сумматора, выход сумматора через последовательно соединенные блок извлечения квадратного корня и дифференциатор подключен к первому входу блока деления, второй вход которого соединен с выходом блока извлечения квадратного корня, выход блока деления соединен со вторым входом второго перемножителя и с первым входом дополнительного квадратора, выход которого подсоединен к первому входу третьего перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого квадратора, а выход третьего перемножителя - со вторым дополнительным входом сумматора, отличающийся тем, что в него введены блок сравнения, блок деления, фазомодулированный генератор гармонического сигнала, вход которого подключен к выходу блока сравнения, первый вход которого подключен к выходу блока извлечения квадратного корня, отключенного от соединенных между собой входов дифференциатора и второго входа блока деления, а эти входы дифференциатора и второго входа блока деления подключены к второму входу блока сравнения и выходу введенного блока деления, первый вход которого соединен с выходом фазомодулированного генератора гармонического сигнала, второй вход введенного блока деления соединен с точкой соединения катушки индуктивности и конденсатора, а выход введенного блока деления является выходом безынерционного детектора обобщенного АМ-сигнала.