УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА КОЛЕБАНИЙ, МОДУЛИРОВАННЫХ ПО ФАЗЕ Советский патент 1940 года по МПК H03D3/26 

Предметом настоящего изобретения является устройство, позволяющее преобразовать модулированные по фазе колебания высокой частоты в колебания, модулированные по амплитуде, с последующим детектированием, т.е. выделением низкой частоты сигнала.

Это устройство, в первую очередь, может быть использовано, как основной элемент приемника фазомодулированных колебаний. Оно применимо для преобразования колебаний и воспроизведения сигналов как при телеграфной, так и при телефонной работе.

Прежде чем перейти к описанию преобразователя, изложим кратко те физические принципы, которые лежат в его основе.

Пусть имеется электрическая колебательная система (в простейшем случае линейный контур), один из параметров L, С или R которой периодически изменяет во времени свою величину. Рассмотрим поведение такой системы при воздействии на нее внешней э.д.с., частота которой находится в некотором определенном соотношении с частотой изменения параметра.

Как известно, возможны два различных режима рассматриваемой системы: 1) режим, так называемой, параметрической регенерации и 2) режим самовозбуждения (параметрической генерации) при внешнем воздействии. Существование того или иного режима обусловлено определенными соотношениями между глубиной модуляции параметра, затуханием системы и настройкой ее.

Характерные стороны обоих режимов проявляются особенно четко, если собственная частота системы в два раза меньше частоты изменения параметра и равна частоте внешнего воздействия (или близка к ней). Именно этот частный случай мы и используем в дальнейшем, понимая под ω частоту внешней э.д.с., под 2 ω - частоту изменения параметра, а под ω₀ - "среднюю" собственную частоту системы (например, в случае периодического изменения емкости где С₀ - среднее значение емкости системы).

Наиболее своеобразной особенностью систем рассматриваемого типа является их фазовая чувствительность. Как показывают математический анализ и эксперимент, величина амплитуды колебаний, возникающих как в параметрически регенеративной, так и в возбужденной системах, помимо прочих факторов, "зависит от разности фаз между изменением параметра и внешней э.д.с. Эта фазовая чувствительность лежит в основе параметрического преобразования фазо-модулированных колебаний.

Рассмотрим некоторые характеристики указанных систем с точки зрения их фазовой чувствительности.

В качестве примера возьмем линейный контур (фиг. 1), емкость которого периодически изменяется по закону С₀(1+msin2ωt). Контур находится в режиме параметрической регенерации, причем частота внешней э.д.с. е(t)=Е₁sin|(ωt+φ) и частота изменения параметра (2ω) остаются неизменными.

Амплитуда колебаний частоты ω, возникающих в контуре при указанных условиях, пропорциональна величине:

где

- затухание системы,

i - коэфициент глубины модуляции емкости,

- "расстройка".

φ - разность фаз между внешней э.д.с. е(t) и изменением параметра.

На фиг. 2, 3 и 4 приведены резонансные кривые рассматриваемого контура, полученные автором экспериментально и проверенные теоретически по вышеприведенной формуле для µ. На фиг. 2 показана кривая резонанса при φ=90°, на фиг. 3 - при φ=0. Сопоставление этих двух кривых говорит о том, что при ξ=0 (точная настройка) и изменении разности фаз φ от нуля до 90°, амплитуда колебаний в контуре изменяет свое значение от минимума (при φ=0) до максимума (при φ=90°).

Если контур расстроить относительно внешней э.д.с. е(t)=E₁ sin(ωt+φ) на такую величину ±ξ, которая соответствует одному из двух одинаковых максимумов при φ=0 (фиг. 3) и снять в этих двух точках зависимости амплитуды колебаний в контуре от разности фаз (при е(t)=const), то мы получим кривые, представленные на фиг. 4. Кривая I соответствует расстройке +ξ, кривая II -ξ. Значения ξ, при которых получаются фазовые характеристики, приведенные на фиг. 4, для рассматриваемой нами в качестве примера системы, аналитически можно представить выражением:

Все приведенные характеристики являются типичными как для линейных, так и для нелинейных систем в режиме параметрической регенерации. При периодическом изменении не емкости, а одного из других параметров, разница будет заключаться только в том, что максимумы и минимум амплитуды (фиг. 2 и 3) будут наблюдаться при других значениях φ, например, при периодическом изменении самоиндукции двугорбая резонансная кривая (соответствующая фиг. 3) будет наблюдаться не при φ=0, как при изменении емкости, а при φ=135° и т.д. Аналогичную по своему характеру картину явлений мы получим в нелинейной системе с переменными параметрами в режиме параметрического возбуждения при внешнем воздействии.

Следует особо подчеркнуть то обстоятельство, что способ изменения параметра принципиального значения не имеет. Основная качественная закономерность явлений будет одинаковой при применении самых различных способов периодического изменения параметров, в частности способы, использующие аномальные свойства сегнетиков или переменную магнитную проницаемость железа, способы, основанные на применении безваттной обратной связи и т.п.

Принципиальная схема параметрического фазоамплитудного преобразователя приведена на фиг. 5. Две колебательные системы I и II составлены из самоиндукций L₁ и L₂, емкостей C₁ и С₂ и активных сопротивлений R₁ и R₂. На каждую из этих систем воздействуют извне, одновременно две э.д.c.: одна - частоты ω является внешней силой e(t)=E₁sin[ωt+φ(t)], действие другой э.д.с частоты 2ω (E₂sin2ωt) проявляется в том, что она периодически изменяет во времени с этой частотой величину одного из параметров каждой системы.

На схеме, по фиг. 5 в качестве систем I и II взяты линейные контуры периодически изменяющимися емкостями С₁′ и С₂′. Однако, как это следует из предыдущего, возможно также применение периодически изменяющихся самоиндукций или активных сопротивлений.

Системы I и II могут быть поставлены либо в режим параметрической регенерации либо в режим самовозбуждения. Предпочтительность использования того или иного режима определяется его недостатками и преимуществами в каждом отдельном случае. Затухания - обеих систем I и II подбираются совершенно одинаковыми.

Относительно внешней э.д.с. е(t)=E₁sin[ωt+φ(t)] обе системы расстроены следующим образом.

"Средняя" собственная частота каждой из систем определяется тем значением ±ξ, при котором получается один из двух одинаковых максимумов амплитуды при φ=0. Одну из систем, допустим I, расстраивают на величину +ξ, а другую - на величину -ξ. При периодическом изменении не емкости, а самоиндукции или активного сопротивления, значения φ, при которых получается двугорбая резонансная кривая фиг. 3, соответственно изменяются. При периодическом изменении любого из параметров значения ±ξ, определяющие "средние" собственные частоты каждой из систем, следует брать при таком значении φ, при котором получается двугорбая резонансная кривая вида, представленного на фиг. 3.

От обеих систем I и II колебания по отдельным трактам, через усилители У₁ и У₂ (фиг. 5) подаются на детекторы Д₁ и Д₂. Выходные токи этих детекторов протекают в первичной обмотке трансформатора Тр в противоположных направлениях.. Во вторичной обмотке этого трансформатора будет индуктироваться э.д.с., пропорциональная разности выходных токов детекторов Д₁ и Д₂

Рассмотрим работу, преобразователя на примере использования линейных систем I и II периодически изменяющейся емкостью.

При линейном детектировании амплитуда колебаний низкой частоты, возникающих во вторичной обмотке трансформатора Тр, при изменении разности фаз φ₁ будет изменяться по закону, представленному кривой на фиг. 6.

Как видно из этой кривой, существуют два интервала значений φ, в пределах которых зависимость амплитуды колебаний низкой частоты от φ носит линейный характер. Первый интервал 1, равный примерно 20°(±110°), симметричен относительно φ=0. Второй интервал 2, равный приблизительно 80°(±40°), симметричен относительно φ=90°. При периодическом изменении не емкости, а самоиндукции или сопротивления, значения φ, относительно которых симметричны линейные участки характеристики (фиг. 6), переместятся в соответствии с указанием относительно величины ξ, сделанным ранее.

Первый интервал дает строго линейную зависимость. Графически это представлено на фиг. 7. Здесь прямые I-I и II-II представляют зависимости величин амплитуд в системах I и II от разности фаз φ, а прямая А-В - зависимость амплитуды колебаний низкой частоты на вторичной обмотке трансформатора Тр, в зависимости от той же разности фаз φ. Второй интервал дает зависимость, весьма близкую к линейной. Как видно из рассмотрения графиков фиг. 4, зависимость амплитуд колебаний в системах I и II от φ носит здесь более сложный характер, а на выходе преобразователя зависимость амплитуды колебаний низкой частоты от φ почти линейна и может быть также представлена прямой А-В (фиг. 7).

Из изложенного следует, что на выходе преобразователя мы будем получать колебания низкой частоты, воспроизводящие тот закон, по которому была модулирована фаза внешней э.д.с. е(t), т.е. практически осуществим преобразование модулированных по фазе высокочастотных колебаний в колебания низкой частоты. Это показано графически на фиг. 7 (кривые С и D).

Для приема телеграфных сигналов схема преобразователя может быть значительно упрощена. Такая упрощенная схема представлена на фиг. 8. Обе системы связаны с апериодическим контуром III, составленным из самоиндукций L₃′ и L₃′′ и сопротивления R. Связь осуществляется таким образом, чтобы колебания, попадающие в контур III из систем I и II, были противоположны по фазе. Тогда на сопротивлении R мы получим колебания, амплитуда которых будет пропорциональна разности амплитуд в системах I и II. Эти колебания с сопротивления R подаются на детектор. При линейном детектировании зависимость амплитуды колебаний низкой частоты от изменения φ на выходе детектора может быть представлена линией АОВ (фиг. 9). Прямые I-I и II-II (фиг. 9) дают зависимость амплитуд колебаний в системах I к II от изменения φ в пределах ±10° вокруг точки φ=0.

При работе вокруг точки φ=90° эта зависимость, так же как и в случае основной схемы, носит более сложный характер, но в интервале φ примерно ±40° амплитуда напряжения низкой частоты на выходе детектора будет зависеть от φ, примерно, по такому же закону, как и представленный линией АОВ на фиг. 9. При модуляции фазы φ по закону, представленному кривой С, мы получим на выходе детектора колебания вида, показанного кривой D.

Само собой разумеется, что связь систем I и II с контуром III может быть взята не только индуктивной, но и другого вида.

Таким образом, предлагаемый преобразователь (детектор) следует рассматривать как основной элемент приемного устройства для приема фазо-модулированных колебаний.

Следует особо отметить то обстоятельство, что с точки зрения борьбы с помехами схема преобразователя (фиг. 5) представляет собой компенсационную систему и, как таковая, может дать большой эффект в отношении ослабления мешающего действия всякого рода помех.

Устройство для приема колебаний, модулированных по фазе, в котором применен фазо-амплитудный преобразователь, основанный на принципе параметрической регенерации, отличающийся применением двух колебательных контуров, на которые подан принимаемый сигнал и с которыми связана диференциальная детекторная цепь.