Способ выделения несущей из сигнала с угловой модуляцией

 

Способ выделения несущей из сигнала с угловой модуляцией относится к области радиотехники, в частности к радиоприему, и может быть использован в устройствах, осуществляющих когерентную (синхронную) обработку принимаемого сигнала. Техническим результатом изобретения является способ выделения несущей из сигнала с произвольной угловой модуляцией и устройства, реализующего этот способ. Возможные области применения - адаптивные антенные решетки, широкополосные системы связи с псевдослучайными сигналами. 2 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к радиоприему, и может быть использовано в устройствах, осуществляющих когерентную (синхронную) обработку принимаемого сигнала.

В современных системах связи используют как некогерентные, так и когерентные способы обработки принимаемого сигнала. Когерентные способы обработки являются более помехоустойчивыми, причем это преимущество в первую очередь проявляется при использовании сигналов с фазовыми и частотными видами модуляции (т. е. сигналов с угловой модуляцией). К когерентным устройствам, использующим когерентную обработку сигнала, относятся все схемы синхронного детектирования и, в частности, схемы для детектирования сигналов с относительной фазовой телеграфией (см. Сартасов Н.А. Едвабный В.М. Грибин В.В. Коротковолновые радиоприемные устройства. М. Связь, 1971, с. 154-158). К устройствам с когерентной обработкой сигнала относятся также адаптивные антенные решетки, работающие по критерию минимизации среднеквадратического отклонения (см. Уидроу, Мантей, Гриффитс, Гуд. Адаптивные решетки. ТИИЭР, 1967, т. 55, N 12, с. 78-95). По сути когерентной является обработка принятого сигнала в радиоприемном устройстве широкополосной системы связи с псевдослучайными сигналами (см. Диксон Р.К. Широкополосные системы. М. Связь, 1979).

Несмотря на наличие такого фактора, как высокая помехоустойчивость системы связи с когерентной обработкой сигнала, еще не нашли широкого применения, что в значительной степени объясняется необходимостью иметь в радиоприемном устройстве опорное колебание (пилот-сигнал) в виде гармонического колебания, частота которого точно равна частоте несущей сигнала. Получить опорное колебание можно, если передавать по каналу связи наряду с основным сигналом дополнительный сигнал, из которого в приемнике вырабатывается опорное колебание. Другое более предпочтительное решение состоит в том, чтобы опорное колебание выделять непосредственно из основного сигнала. В этом случае необходимо из спектра принятого сигнала удалить все составляющие за исключением несущей частоты. Наиболее просто эта задача решается в случае, когда несущая выделяется из сигнала с амплитудной модуляцией. Типовое решение заключается в использовании амплитудного ограничителя. Однако основные проблемы возникают при выделении несущего колебания из сигналов с угловой модуляцией. Эти сигналы можно разбить на две группы. К первой группе относятся сигналы, составленные из отрезков гармонического колебания с неизменной частотой в пределах каждого отрезка. Эта частота обычно равна частоте несущей. К данным сигналам, в частности, относятся сигналы с относительной фазовой телеграфией. Вторую группу образуют сигналы, мгновенная частота которых не остается постоянной, причем закон изменения частоты в большинстве случаев является случайным. Сущность проблем, а также анализ известных технических решений, связанных с выделением несущей и принимаемых к сигналам первой группы, подробно изложены в гл. 3 кн. Цифровая передача информации фазомодулированными сигналами (Окунев Ю.Б. М. Радио и связь, 1991).

Решение задачи для сигналов второй группы связи с непостоянством мгновенной частоты является более трудным. Обычно для этой цели используют полосовые фильтры с очень узкой полосой пропускания и центральной частотой, равной частоте несущей. Так считается перспективным использование цифровых фильтров. Во многих случаях находит применение схема на основе кольца фазовой автоподстройки частоты. Простейший вариант этой схемы описан в книге "Коротковолновые радиоприемные устройства" (см. выше) на с. 104-106. Более сложная модификация описана в кн. Радиооборудование морских судов, с. 134-135 (Писарев В.А. М. Транспорт, 1991). Однако недостатком фильтрующих схем является то, что колебание на их выходе не является строго гармоническим, так как преобразование сигнала сводится лишь к уменьшению глубины угловой модуляции. Вследствие этого полученное опорное колебание может быть использовано для когерентного (точнее почти когерентного) детектирования частотно-модулированного сигнала, но не может быть использовано для детектирования фазомодулированного сигнала, а также в качестве пилот-сигнала в адаптивных антенных решетках. Поэтому задача выделения строго гармонического колебания с частотой несущей из сигналов с произвольной угловой модуляцией является актуальной.

Техническим результатом изобретения является способ выделения несущей из сигнала с произвольной угловой модуляцией и устройства, реализующего этот способ.

Для достижения указанного технического результата осуществляют преобразование первичного сигнала с угловой модуляцией в новый сигнал с угловой модуляцией, причем так, что значения частоты и амплитуды несущей нового сигнала точно равны значениям частоты и амплитуды несущей первичного, но при этом нижнюю боковую полосу частот нового сигнала получают при преобразовании из верхней боковой полосы частот первичного, а верхнюю боковую полосу частот нового сигнала получают при преобразовании из нижней боковой полосы частот первичного, и затем суммируют первичный и новый сигналы, а полученный суммарный сигнал, представляющий собой сигнал с амплитудной модуляцией и частотой несущей, точно равной частоте несущей первичного сигнала, подвергают амплитудному ограничению с целью выделения строго гармонического колебания с частотой, равной частоте несущей первичного сигнала.

На фиг. 1 представлены амплитудные спектры первичного сигнала, нового сигнала и выделенного колебания несущей; на фиг. 2 представлена функциональная схема устройства, предназначенного для выделения несущей из сигнала с угловой модуляцией.

Данный способ может быть реализован в устройстве, состоящем из перемножителя 1, сумматора 2, на первые входы которых подается первичный сигнал, а сигнал с выхода перемножителя 1 подается через фильтр низкой частоты 3 на второй вход сумматора 2, причем сигнал с выхода сумматора 2 подается на вход ограничителя амплитуды 4, с выхода которого снимается гармоническое колебание несущей, поступающее на вход удвоителя частоты 5, а гармоническое колебание с его выхода на синхронизирующий вход автогенератора 6, выходное гармоническое напряжение которого через делитель напряжения 7 и фазосдвигающую цепь 8 на второй вход перемножителя 1.

Устройство, функциональная схема которого приведена на фиг. 2, в процессе работы с помощью перемножителя 1 и фильтра низкой частоты 3 (с частотой среза примерно в полтора раза превышающей частоту несущей первичного сигнала) преобразует первичный сигнал, подаваемый на первый вход перемножителя 1, в новый сигнал, отличающийся от первичного положением боковых частот. Суть эффекта "переворачивания спектра" при преобразовании частоты изложена на с. 319-320 кн. Гоноровского И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М. Советское радио, 1977.

Первичный сигнал, а также новый сигнал, полученный на выходе фильтра низкой частоты 3, подаются на первый и второй входы сумматора 2 соответственно. Выходной сигнал сумматора 2, представляющий собой колебание с амплитудной модуляцией и с частотой несущей, точно равной частоте несущей первичного сигнала, подается на вход амплитудного ограничителя 4, с выхода которого снимается гармоническое колебание с частотой, равной частоте несущей первичного сигнала. Это колебание является выходным или выделенным колебанием несущей. Полученное колебание несущей подается на вход удвоителя частоты 5, а с его выхода снимается гармоническое колебание, но с частотой, в два раза большей частоты несущей сигнала. Это колебание подается на синхронизирующий вход автогенератора 6. Благодаря этому с выхода автогенератора 6 снимается гармоническое колебание также с частотой, точно в два раза большей частоты несущей первичного сигнала. Выходное колебание автогенератора 6 через делитель напряжения 7 и фазосдвигающую цепь 8 подается на второй вход перемножителя 1. Более детально работу устройства целесообразно рассмотреть на примере, когда первичный сигнал представляет собой тонально-модулированное колебание с малым индексом модуляции. В этом случае на первом входе преобразователя частоты 1 и первом входе сумматора 2 действует напряжение первичного сигнала (см. с. 99 кн. Радиотехнические цепи и сигналы. Баскаков С.И. Высшая школа, 1988).

где U₁ амплитуда несущей первичного сигнала; ω_o- частота несущей первичного сигнала; m индекс модуляции первичного сигнала (m << 1); Ω - частота модулирующего сигнала ( Ω << ω_o ); ϕ,-ϕ - начальные фазы верхней и нижней боковых частот соответственно.

Предположим, что коэффициент передачи делителя напряжения 7 равен единице, а фазовый сдвиг, вносимый фазосдвигающей цепью 8, равен нулю. Тогда напряжение на втором входе перемножителя 1 будет равно напряжению на выходе автогенератора 6 u₂(t) = U₂cos(2ω_ot+γ) (2) где U₂ амплитуда напряжения; γ - начальная фаза напряжения.

Тогда на выходе перемножителя 1 образуется напряжение U₃(t) K · U₁(t) · U₂(t), (3)
где K коэффициент, характеризующий передаточные свойства перемножителя 1 и имеющий размерность B^-1.

После подстановки (1) и (2) в (3) и тригонометрических преобразований напряжение U₃(t) можно представить в виде суммы из шести гармонических составляющих с частотами ω_o, ω_o-Ω,ω_o+Ω,3ω_o, 3ω_o-Ω, 3ω_o+Ω Учитывая, что Ω << ω и что частота среза фильтра низкой частоты 3 примерно в полтора раза больше частоты ω_o ^o на выход фильтра низкой частоты 3 пройдут лишь первые три составляющие. Следовательно, на втором входе сумматора 2 будет действовать напряжение

где α - дополнительный фазовый сдвиг, вносимый фильтром низкой частоты 3.

Введем следующее обозначение:

Перепишем (4) с учетом (5)

Предположим, что с помощью делителя напряжения 7 (или в случае необходимости усилителя) отрегулировали амплитуду U₄ так, что она стала равной U₁ и, кроме того, с помощью фазосдвигающей цепи 8 устранили фазовый сдвигγ+α, входящий в каждое из слагаемых напряжения U₄(t). Тогда

Напряжение на выходе сумматора 2 является суммой напряжений U₁(t) и U₄(t), определяемых формулами (1) и (7). Следовательно,

Полученный результат показывает, что напряжение на выходе сумматора 2 является гармоническим. Однако этот результат является приближенным, поскольку формула (1), описывающая первичный сигнал, также является приближенной. Фактически напряжение на выходе сумматора 2 представляет собой колебание с амплитудной модуляцией, частота несущей которого точно совпадает с частотой несущей ω_o первичного сигнала U₁(t). Подтверждение этому можно получить, если рассмотреть векторное представление первичного и нового сигналов на комплексной плоскости (см. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. М. Высшая школа, с. 93,99, 1988). Результирующий вектор напряжения на выходе сумматора 2 является векторной суммой векторов первичного и нового сигналов, каждый из которых является "качающимся". При этом качание этих векторов происходит по одинаковым знакам, но в противоположные стороны. В итоге результирующий вектор напряжения на выходе сумматора 2 перестает быть качающимся, но его амплитуда не остается постоянной. Этот случай соответствует поведению вектора колебания с амплитудной модуляцией. Возникающую амплитудную модуляцию устраняет ограничитель амплитуды 4 (его роль может выполнять узкополосный усилитель-ограничитель). Принципы работы отдельных блоков, образующих устройство, а также описание конкретных схем достаточно подробно изложены в гл. 5, 8, 10 кн. Проектирование радиолокационных приемных устройств (авторы Голубков А.П. Далматов А.Д. и др. М. Высшая школа, 1984), а также в гл. 9, 14, 16, 17 кн. Основы радиоэлектроники (автор Каяцкас А.А. М. Высшая школа, 1988).

Предлагаемое устройство сохраняет свойство выделять несущую в случае, если первичный сигнал с угловой модуляцией будет заменен на сигнал с амплитудной модуляцией. Предлагаемое устройство нельзя использовать для выделения несущей из сигналов, в спектрах которых отсутствует эта несущая. Это следует из того, что предлагаемое устройство с точки зрения достигаемого технического результата эквивалентно специализированному узкополосному полосовому фильтру. Кроме того, для эффективной работы устройства необходимо обеспечить постоянство начальной фазы γ напряжения на выходе автогенератора 6 (см. уравнение 2). В простейшем случае это требование можно выполнить путем выбора в качестве автогенератора 6 автогенератора с высокой стабильностью частоты, например кварцевого. Возможны также другие более эффективные способы обеспечения постоянства начальной фазы g

Формула изобретения

Способ выделения несущей из сигнала с угловой модуляцией, отличающийся тем, что осуществляют преобразование сигнала с угловой модуляцией так, что несущая преобразованного сигнала совпадает с несущей сигнала с угловой модуляцией, а нижняя и верхняя боковые полосы частот преобразованного сигнала получены при преобразовании соответственно из верхней и нижней боковых полос сигнала с угловой модуляцией, суммируют сигнал с угловой модуляцией и преобразованный, а суммарный сигнал, являющийся сигналом с амплитудной модуляцией, подвергают амплитудному ограничению.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2