Устройство формирования сигналов с ограниченным спектром частот Советский патент 1991 года по МПК H03C1/52 

(21)4629541/24-09

(22)02.01.89

(46) 30.04.91. йюл. № 16

(71)Куйбышевский электротехнический институт связи

(72)Б.П. Зайкин, Д.Д. Кловский и Б.И. Николаев

(53)621.376.22(088.8)

(56)Чоке М., Насбомер Г., Формирование сигналов в синхронных системах передачи данных посредством цифровой эхо-модуляции. - Зарубежная радиоэлектроника, 1973, W 1, с. 25,

рис. 12.

(54)УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ С ОГРАНИЧЕННЫМ СПЕКТРОМ ЧАСТОТ

(57)Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для передачи дискретных сообщений по каналам с ограниченной полосой частот. Целью изобретения является уменьшение искажений спектра выходных сигналов. Устройство

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для передачи дискретных сообщений по каналам с ограниченной полосой частот.

Целью изобретения является уменьшение искажений спектра выходных сигналов.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства формирования сигналов с ограниченным спектром частот; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы,

содержит управляемый инвертор (УИ), линию задержки с отводами, регистр сдвига, делитель частоты, ключи, блоки задания весовых коэффициентов, инверторы ,фильтр нижних частот и суммирующий усилитель (СУ). Использование суммирующих резисторов (из состава СУ) одинакового номинала упрощает компенсацию погрешности формирования сигналов, обусловленной смещением нулевого уровня на выходе СУ. Введение в устройство блоков задания весовых коэффициентов, нагруженных на суммирующие резисторы, позволяет формировать сигналы с ограниченным спектром с любой формой среза спектра путем изменения величин и знаков отсчетов в блоках задания весовых коэффициентов. Введение в устройство УИ приводит к уменьшению погрешности формирования сигнала, т.к. в этом случае сигналы разной формы обрабатываются одними и теми же блоками задания весовых коэффициентов. 4 ил.

поясняющие работу устройства формирования сигналов с ограниченным спект- tooM частот; на фиг. 4 - пример практической реализации блока 6 задания весовых коэффициентов.

Устройство формирования сигналов с ограниченным спектром частот (фиг.1) содержит управляемый инвертор (УИ) 1, (2N+1)-разрядную линию задержки (ЛЗ) 2 с отводами, (2N+1+M)-разрядный регистр сдвига (PC) 3, делитель 4

3

(Л

оь

Ј

С&

о

Јь ГО

316

частоты, (4N+2) ключей 5t- 54H+2, (2N+2) блоков 6f- 64N4.2 задания весовых коэффициентов, N инверторов , фильтр нижних частот (ФНЧ) 8, суммирующий усилитель 9. Блок 6 задания весовых коэффициентов (фиг. 4) содержит входной резистор 10, повторитель 11, первый, второй и третий резисторы 12 - 14 обратной связи, опера ционный усилитель 15 и потенциог метр 16.

Устройство формирования сигналов с ограниченным спектром частот работает следующим образом.

Рассмотрим работу блока 6 (фиг. 4) Сигнал, полярность которого определяется знаком соответствующего импульса перекодированной последовательности, записанного в соответствующий разряд ЛЗ 2 через соответствующий ключ 5, подается на вход блока б, при этом на выходах повторителя 12 и операционного усилителя 16 присутствуют разнопо

В случа е реализации в устройстве амплитудной модуляции с частично подавленной боковой полосой при соотношении fe- kfw/2 3 (например, передача дискретных сообщений, поступающих со скоростью 3200 Бод, методом амплитудной модуляции несущей fe 2400 Гц с частично подавленной верхней боковой полосой (фиг. За)) управляющий сигнал имеет вид, представленный на фиг. 26. В этом случае сигнал на выходе УН 1 имеет вид периодически инвертированной входной последовательности (фиг. 2в), то есть два соседних символа входной

лярные уровни напряжения с амплитудой 25 последовательности передаются на выU, где HJ выходные напряжения микросхем, близкие к напряжению питания. Со среднего вывода потенциометра 17 снимается значение отсчета формируеход без изменения полярности,а два следующих инвертируются и т.п.

Для пояснения необходимости ввемер входной последовательности дан на фиг. 2 а. На вход управления УИ 1 подается управляющий сигнал (фиг.2б) Следует отметить, что форма сигнала (фиг. 26) на входе управления УИ 1 определяется соотношением несущей чатоты формируемого сигнала и скорости манипуляции входных данных В.

В случа е реализации в устройстве амплитудной модуляции с частично подавленной боковой полосой при соотношении fe- kfw/2 3 (например, передача дискретных сообщений, поступающих со скоростью 3200 Бод, методом амплитудной модуляции несущей fe 2400 Гц с частично подавленной верхней боковой полосой (фиг. За)) управляющий сигнал имеет вид, представленный на фиг. 26. В этом случае сигнал на выходе УН 1 имеет вид периодически инвертированной входной последовательности (фиг. 2в), то есть два соседних символа входной

последовательности передаются на выход без изменения полярности,а два следующих инвертируются и т.п.

Для пояснения необходимости вве

мого сигнала, причем амплитуда отсче- ,« дения операции перекодирования (инвертирования), а следовательно и УИ рассмотрим процесс формирования груп пового сигнала с заданным законом мо дуляции.

та определяется величиной смещения движка потенциометра 17 относительно среднего положения и может изменяться от нуля до U, а знак формируемого отсчета определяется направлением сме- ,- щения движка потенциометра 17 относительно среднего (нулевого) положения. Если движок смещен в сторону вывода, соединенного с выходом повторителя 12, то формируется отсчет положительной Q полярности. Когда ключ 5, выход которого соединен с входом блока 6, закрыт, вход блока 6 через входной резистор. 11 привязан к нулевому потенциалу, при этом на выходе повторителя 4 может быть представлена в виде 12 н операционного усилителя 16 присутствует нулевой уровень, а следовательно, нулевой уровень присутствует и на выходе блока 6, таким образом, полностью- исключается влияние помех по цепям питания на положение нулевого уровня на выходе блока 6.

Пусть требуется сформировать сигнал с частотно ограниченным спектром общего вида (фиг. За). л Очевидно, спектр такого сигнала G(f) можно представить в виде суммы двух спектров

G(f)-G,(f)+Gj,(f). (1)

Форма импульса, имеющего спектр d(Ј гавлена в виде

g(t)- J Gtf) e df -(2

, (t)R2(t)coett)(,,(t) + 50 Qt(t)sin G3,t,

Входные данные в форме двоичной последовательности подаются на сигнальный вход УИ 1. Скорость подачи последовательности определяется интервалом манипуляции Т (длительность двоичного символа) и равна 1/Т. Привертирования), а следовательно и УИ t, рассмотрим процесс формирования группового сигнала с заданным законом модуляции.

может быть представлена в виде

может быть представлена в виде

Пусть требуется сформировать сигнал с частотно ограниченным спектром общего вида (фиг. За). л Очевидно, спектр такого сигнала G(f) можно представить в виде суммы двух спектров

G(f)-G,(f)+Gj,(f). (1)

Форма импульса, имеющего спектр d(Ј) гавлена в виде

g(t)- J Gtf) e df -(2)

, (t)R2(t)coett)(,,(t) + Qt(t)sin G3,t,

где R((t).) и Q,(t), Qa(t) - синфазные и квадратурные компоненты однополосных сигналов со спектрами Gt(f) и A At) соответственно. Выражение (2) можно переписать авиде

g(t)-R(t) Cos C00t-Kj(t) SinCOet.

(3)

При модуляции несущего колебания последовательностью импульсов групповой сигнал S(t) принимает вид

S(t) 21 a;R(t-iT)Cos C0et + оо

+ .JET, a;q(t-iT) Sin(0ct, (4) где знаковые коэффициенты, определяющие информационное содержание передаваемой импульсной последователь- ности.

Выражение (4) можно также представить в эквивалентной форме

00 Гj.

S(t) 21, (t-iT)cos|G)0(t-iT

le-OO LL

+ C00; (t-iT) 81пГ(00 (t-iT)+ + GD0iTj}(5)

или

ft«

S(t) . a;g;(t-iT),

где g;(t)R(t) Cos(&)0t+Cd0iT) + +Q(t) Sin(Q0 t+QfliT),

то есть с каждым i-м интервалом манипуляции (выборкой данных а связан элемент сигнала g|(t), задержанный на величину II. В общем случае форма всех элементов g-(t) различна. Однако, если отношение частоты несущей f0 к скорости манипуляции представляет собой простую дробь то число различных форм gj(t) ограничено. Убедимся в этом, переписав (7) в виде

Л,- Is

g;(t)R(t) Cos(C00t+2fii ifc) + +Q(t) Sinto Hi 5),

(8)

где R(t) - четная, a Q(t) нечетная функции времени.

Определим число различных форм сигналов, которые необходимо формировать, чтобы реализовать заданный закон модуляции при заданном отношении частоты несущего колебания к скорости манипуляции.

1

Для случая f. 2400 Гц, В

3200 йод выражение 2 в ifeT в (8)

принимает вид

fr

2frif0T 2400/3200 31 .

5

1

f15

20

25

30

Подставляя это выражение в (8) и придавая g-(t) различные значения, получаем

g0(t)R(t) CosC00t+Q(t) Sinu)(t) g (t)R(t) Sin(00t-Q(t) CosGD0t g(t)

g;(t)(t)cos y0t+q(t)sin((t)

gi(t)(t)Sintf0t-Q(t)CosW0t -g(t) g4(t)R(t) Costo0t-t-Q(t) SinC00t -g(r)

(9) и т.д.ч:7

Таким образом, из (9) можно увидеть, что для рассматриваемого случая (отношение fc/B 3/4) число различных форм элементов сигнала, необходимых для реализации заданного вида модуляции, равно четырем g(t), g(t), -g(t),

-g(tj, т.е.

S(t)-aeg(t)+a1g(t-T)(t-2T) + + (t-3T)+a4g (t-4T) + ... (10)

где g(t) - четная, g(t) - нечетная функции времени. Однако выражение (10) можно представить в виде:

SU)a0g(t)+a(g(t-T) + (-az)g(t-2T) + +(-aj)g(t-3T)+a g(t-4T)+... (11)

Из (11) видно, что сигнал с заданным законом модуляции можно получить, используя только две формы элементов сигнала g(t) и g(t), но вводя в устройство УИ 1, в котором осуществляется периодическое инвертирование пар символов согласно (11) (фиг. 2в). . Аналогичным образом можно показать, что для любых имеющих практический интерес отношений f0/ri, выражаемых простой дробью, можно реализовать все линейные виды модуляции с использовадс нием только двух форм элементов сигнала g(t) и g(t). Итак, перекодиро1- ванная последовательность информационных элементов с выхода УИ 1 подается на информационный вход ЛЗ 2 и

50 продвигается по ней с помощью последовательности тактовых импульсов (фиг. 2г), которые подаются на тактовый вход ЛЗ 2. Сигнал на выходе первого разряда ЛЗ 2 представлен на

Ь5 фиг. 2д.

Сигнал на выходе делителя представлен на. фиг. 2е. Сигналы на выходах PC 3 (начиная с первого) показаны на (фиг. 2ж-и). Перекодированная после-.

довагельность элементов и последовательность считывающих импульсов продвигаются по ЛЗ 2 и PC 3 синхрон- но, так как на их тактовые входы подается одна и та же последовательности импульсов. Рассмотрим процесс формирования сигналов, используя временные диаграммы фиг. 2. Пусть первым тактовым импульсом (фиг. 2г) первый символ перекодированной последовательности записан в первый разряд ЛЗ 2 и появился на его выходе. По мере продвижения каждого элемента перекодированной последовательности по ЛЗ 2 его сопровождает один и тот же считывающий импульс, продвигающийся синхронно с ним по PC 3. В соответствии со схемой фиг. 1 этот элемент поочередно появляется на разрядах ЛЗ 2, проходит через один из открытых ключей 5 и через соответствующий блок 6 и поступает на вход суммирующего усилителя 9 с весом, определяемым блоком 6. Таким образом, каждый элемент перекодированной последовательности, проходя по всей ЛЗ 2 по- рождает на выходе суммирующего усили теля 9 (2N-H) ступенчатую функцию времени. Каждый нечетный элемент переко- дированной последовательности коммутируется ключами 5,,..,,5iH+ верхнего (по схеме) ряда ключей и проходит через левую группу из (N+1) блоков 6,-бц.ц. При этом формируется сигнал g(t), четность которого обеспечивается тем, что обе половины этого сигнала формируются в- одних и тех же блоках 6, но в разное время. Это хорошо видно из схемы соединения ключей 5 с блоками 6. Каждый четный элемент перекодированной последовательности, коммутируемый ключами Здо..., из нижнего (по схеме) ряда ключей, проходит через правую группу из (N+U весовых узлов Ъяц. При этом формируется сигнал g(t), нечетность которого обеспечивается тем, что вторая половина отсчетов этого сигнала поступает на входы ключей 5Hva- через инверторы 7,- 7N, а с выхоцов ключей - 54Nt проходит через те же блоки о, что и первая половина отсчетов.Если центральный отсчет равен нулю, то соответ ствующий инвертор не нужен (именно этот случай представлен на схеме фиг. 1). Более того, цепь формирова

ния нулевого центрального отсчета g(t) может быть исключена вовсе.

Частота следования тактовых импульсов fT выбирается кратной скорости манипуляции В и настолько большой, чтобы достаточно точно аппроксимировать g(t) и gf(t), что, в свою очередь, упростит структуру фильтра ФНЧ 8, включенного на выходе.

При некоторых соотношениях скорости манипуляции В и тактовой частоты Јт может происходить одновременное открывание ключей 5, соединенных с одним и тем же блоком 6. В этом случае выходы соответствующих ключей должны быть разъединены, а блоки 6 и суммирующие резисторы 8 должны быть дублированы.

Рассмотрим особенности структуры PC 3 и делителя 4. Строго говоря, применение структуры PC 3 и с четырнадцатью отводами необязательно (при N+1+М 14). Можно ограничиться PC 3 с шестью выходами, если подключить выходы регистра согласно приведенной ниже таблице.

где цифрами 5, 5, 5-а,...5 обозначены номера верхнего ряда (по схеме) ключей, считая слева направо а цифрами 5f, 5г , 5у. ..54 обозначены номера нижнего ряда ключей, также сч и- тая слева направо по схеме фиг. 1. Более того, если в делителе 4 применить счетчик с фазоимпульсным представлением информации, то делитель 4 PC 3 можно заменить подобным счетчиком, сохранив представленную таблицу, схему разводки выходов счетчика, считая при этом нулевой выход счетчика соответствующим выходу первого разряда PC 3.

Состав и порядок работы блоков 6 были подробно описаны раньше. Здесь только отметим, что введение блоков

6 приводит к снижению погрешности формирования сигналов, так как значения отсчетов формируемых сигналов могут оыть выставлены как угодно точно.

Кроме того, в предлагаемом устройстве нуль формируемых сигналов обусловлен двуполярным питанием, в то время как в устройстве по прототипу нуль формируемых сигналов является искусственным, равным половине питания логических микросхем. Это обстоятельство вынуждает ставить разделительный конденсатор на входе суммирующего усилителя 19, в противном случае сужается динамический диапазон вследствие смещения рабочей точки. Введение в предлагаемое устройство перестраиваемых блоков 6, нагруженных на суммирующие резисторы одинакового номинала в суммирующем усилителе 10 делает предлагаемое устройство универсальным, так как позволяет формировать сигналы любой формы, причем форма сигналов может быть легко изменена путем изменения значений отсчетов сформированных сигналов в блоках 6.

Очень важным преимуществом, которое приобретает предлагаемое устройство при введении в него перестраиваемых блоков 6, нагруженных на суммирующие резисторы одинакового номинала, состоит в том, что номинал компенсирующего резистора не зависит от значений отсчетов формируемых сиг- 1налов.

Формула изобретения

Устройство формирования сигналов с ограниченным спектром частот, содержащее N инверторов, (2N+1) разрядную линию задержки с отводами, (4N+2) ключей, (2N+1+M) разрядный регистр сдвига, где , fT часто та следования тактовых импульсов, б - скорость манипуляции, а также суммирующий усилитель, при-этом тактовый вход (2N+1)-разрядной линии задержки с отводами соединен с тактовым входом (2N+1+M)-ro разрядного регистра сдвига, выходы первого, второго, ...,(2N+1)-ro разрядов (2N+1+M)- разрядного регистра сдвига соединены с входами управления соответственно первого, второго,...,(2N+1)-го ключей, выходы М-го, (М-Ц)-го, (М+2)-го .., (2N+1+М) -го разрядов (2Ь7+1н-М)-разрядного регистра сдвига соединены с

0

0

5

0

5 5

входами управления соответственно

(2N+2)-ro (2N+3)-ro(4N+2)-ro

ключей, выходы первого, второго,..., (2N+1)-ro разрядов (2N+1)-разрядной линии задержки с отводами соединены с сигнальными входами соответственно первого, второго,...,(2N+1)-го ключей, выходы первого, второго,...,(N+1)-го разрядов (2N+1 )-разрядной линии задержки с отводами соединены с сигнальными входами соответственно (2N+2)-ro, t2N+3)-ro(3N+2)-ro ключей, выходы (N+2)-ro, (N+3)-ro(2N+1)-ro

5 разрядов (2N+1)-разрядной линии задержки с отводами соединены с входами соответственно первого, второго,..., N-ro инверторов, выходы которых соединены с сигнальными входами (3N+3)-ro, (3N+4)-ro,...,(4N+2)-ro ключей, тактовый вход (2N+1+M)-разрядного регистра сдвига является входом сигнала частоты следования тактовых импульсов устройства формирования сигналов с ограниченным спектром частот, отличающееся тем, что, с целью уменьшения искажений спектра выходных сигналов, в него введены (2N+2) блоков задания весовых коэффициентов, делитель тактовой частоты, управляемый инвертор и фильтр нижних частот, при этом выход управляемого инвертора соединен с информационным входом (2N+1)- разрядной линии задержки с отводами,

Е актовый и информационный входы (2N+ 1+М)-разрядного регистра сдвига сое- инены соответственно с входом и выходом делителя частоты, выходы первого, второго,...,(N+1)-го ключей соединены с входами соответственно первого, второго, ...,(N+1)-го блоков задания весовых коэффициентов, выходы (3N+2)-ro, (3N+3)-ro,...,(4N+2)-ro ключей соединены с входами соответственно (N+2)-ro, (N+3)-ro,...,(2N+2)-ro блоков задания весовых коэффициентов, выходы (N+2)-ro, (N+3)-ro,.,.,(2N+1)-го ключей соединены с входами соответственно N-ro, (N-1)-го,..,, первого блоков задания 0 весовых коэффициентов, выходы (2N+2)- го, (2N+3)-ro,...,(3N+1)-го ключей соединены с входами соответственно (2N+2)-ro, (2N+1)-го,....(N+3)-ro блоков задания весовых коэффициентов, выходы первого, второго,...,(2N+ +2)-го блоков задания весовых коэффициентов соединены с соответствующими входами суммирующего усилителя, выход которого соединен с входом фильт0

5

11

12

1646042

pa нижних частот, выход которого яв- ся соответственно сигнальным входом и ляется выходом устройства формирова- управляющим входом устройства форми- ния сигналов с ограниченным спектром рования сигналов с ограниченным спект- частот, сигнальный вход и вход управ- ром частот, ления управляемого инвертора являютв) Г ,

шитплш1гшллллшшлял

0) ппллшиии

«яг.г

12

(Det.t

W,r4

ft

Ф.,3

Редактор Н. Коляда

Заказ 1555

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКН1 СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Фаг Л

Составитель А. Мышакин

Техред Л.Олийнык Корректор Н, Ревскар

Тираж 456

Подписное