Способ преобразования девиации частоты периодического сигнала

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для преобразования девиации частоты с любым заданным коэффициентом преобразования. Достигаемый технический результат - увеличение коэффициента преобразования девиации частоты периодического сигнала. Способ преобразования девиации частоты периодического сигнала заключается в том, что перемножают входной сигнал и первый синхронизируемый сигнал, выделяют второй сигнал синхронизации с разностной частотой, которым синхронизируют второй синхронизируемый сигнал, перемножают входной сигнал и второй синхронизируемый сигнал, выделяют первый сигнал синхронизации с разностной или суммарной частотой, которым синхронизируют первый синхронизируемый сигнал, перемножают синхронизируемые сигналы и выделяют выходной сигнал с разностной или суммарной частотой, при этом дополнительно преобразуют начальную фазу у одного из сигналов синхронизации. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и другим областям электронной техники, в которых используются сигналы с угловой модуляцией, и может быть использовано для преобразования девиации частоты с любым заданным коэффициентом преобразования.

В качестве аналога изобретения может быть рассмотрен известный способ [1,2], по которому частотной модуляции подвергают периодический сигнал с низкой частотой, затем, с целью увеличения девиации частоты, применяют несколько ступеней умножения частоты. При этом умножается и девиация частоты. После этого спектр частотно-модулированного сигнала переносится в заданный диапазон частот. Данный способ широко используется в радиотехнике и описан во всех учебных пособиях и монографиях.

Недостатками известного способа являются громоздкость реализации, дискретность преобразования девиации частоты, огромная разница между частотой сигнала, поступающего на частотный модулятор, и частотой сигнала после умножения.

В результате поиска среди научных публикаций, патентов и авторских свидетельств авторами не выявлены способы преобразования (усиления) девиации частоты модулированного периодического сигнала с произвольным коэффициентом преобразования (аналогично амплитудным усилителям).

Известен способ линеаризации характеристик дифференциальных частотных датчиков, заключающийся в том, что из стабильной опорной частоты вычитают первую выходную частоту и полученной разностью синхронизируют вторую выходную частоту, а вторую выходную частоту вычитают из стабильной опорной частоты и полученной разностью синхронизируют первую частоту [3].

Известный способ может быть использован для преобразования девиации частоты периодического сигнала, так как дает возможность изменять частоты выходных сигналов путем изменения частоты опорного сигнала благодаря изменению условия баланса фаз.

Недостатком способа является невозможность получения больших коэффициентов преобразования.

Цель изобретения - увеличение коэффициента преобразования девиации частоты периодического сигнала и возможность получения любых его значений из технически реализуемого диапазона.

С этой целью в известном способе вместо сигнала со стабильной опорной частотой используют входной частотно-модулированный сигнал, перемножают входной сигнал и первый синхронизируемый сигнал, выделяют второй сигнал синхронизации с разностной частотой, которым синхронизируют второй синхронизируемый сигнал, перемножают входной сигнал и второй синхронизируемый сигнал, выделяют первый сигнал синхронизации с разностной или суммарной частотой, которым синхронизируют первый синхронизируемый сигнал, перемножают синхронизируемые сигналы и выделяют выходной сигнал с разностной или суммарной частотой, кроме этого, в отличие от известного способа, у одного из сигналов синхронизации дополнительно преобразуют начальную фазу таким образом, чтобы фазовый сдвиг между сигналом синхронизации и синхронизируемым сигналом стал инверсным по отношению к соответствующему фазовому сдвигу до преобразования.

С целью преобразования начальной фазы одного из сигналов синхронизации сигнал синхронизации умножают сам на себя, полученный сигнал с удвоенной частотой перемножают с исходным сигналом синхронизации, у которого дополнительно смещают начальную фазу, выделяют сигнал с разностной частотой и им синхронизируют соответствующий синхронизируемый сигнал.

Техническими результатами, которые могут быть получены при использовании изобретения, являются простые устройства частотной модуляции, дающие большие индексы модуляции выходных сигналов и имеющие возможность плавного изменения индекса модуляции; согласующие устройства для частотных систем автоматического управления; усилители сверхмалых девиаций частоты выходных сигналов частотных датчиков.

На фиг.1 изображены графики, иллюстрирующие преобразование девиации частоты входного периодического сигнала, когда его частота равна сумме частот синхронизируемых сигналов.

Приведены зависимости ϕ(f₂) и ϕ(f₁) фазовых сдвигов между сигналами синхронизации и синхронизируемыми сигналами, если частоты сигналов синхронизации не совпадают с парциальными частотам f₁₀ и f₂₀ синхронизируемых сигналов (частотами синхронизируемых сигналов при отсутствии сигналов синхронизации).

На фиг. 2 изображены графики, иллюстрирующие преобразование девиации частоты входного периодического сигнала, когда его частота равна разности частот синхронизируемых сигналов.

Приведены зависимости ϕ(f₂) и ϕ(f₁) фазовых сдвигов между сигналами синхронизации и синхронизируемыми сигналами, если частоты сигналов синхронизации не совпадают с парциальными частотам синхронизируемых сигналов.

На фиг. 3 изображен вариант структурной схемы устройства, реализующего данный способ.

Устройство содержит балансные смесители 1, 3, 6, синхронизируемые генераторы 2, 5, преобразователь начальной фазы сигнала синхронизации 4, полосный усилитель 7.

На фиг. 4 изображен вариант структурной схемы преобразователя начальной фазы сигнала синхронизации.

Преобразователь начальной фазы содержит многокаскадный полосный усилитель 8, полосный усилитель 11, балансные смесители 9 и 10.

Парциальные частоты f₁₀ и f₂₀ синхронизируемых сигналов выбирают в соответствии с условием: f₁₀±f₂₀=f_вх0, (1) где f_вх0 - средняя частота входного частотно-модулированного сигнала.

Согласно предлагаемому способу для преобразования девиации частоты периодического сигнала выполняются следующие операции. Перемножают входной сигнал и первый синхронизируемый сигнал. Выделяют из результирующего сигнала составляющую с разностной частотой и ей синхронизируют второй синхронизируемый сигнал. Перемножают входной сигнал и второй синхронизируемый сигнал. Выделяют из результирующего сигнала составляющую с разностной или суммарной частотой. Преобразуют ее начальную фазу. Полученным сигналом синхронизируют первый синхронизируемый сигнал. Перемножают синхронизируемые сигналы и выделяют выходной сигнал с разностной или суммарной частотой.

В установившемся режиме частоты синхронизируемых сигналов равны частотам сигналов синхронизации, но между ними появляются дополнительные фазовые сдвиги при смещении частот относительно парциальных частот. При этом выполняется баланс фазовых сдвигов. Величины фазовых сдвигов определяются по зависимостям ϕ(f₁) и ϕ(f₂). Если в условии (1) выбрана сумма парциальных частот, то баланс фазовых сдвигов определяется равенством ϕ_б(f₁) = ϕ_б(f₂), (2) а если разность, то ϕ_б(f₁) = -ϕ_б(f₂). (3) Если частота входного сигнала получает приращение относительно средней частоты и принимает значение f_вх (см. фиг.1), то нарушается условие (1). Начинается переходный процесс. По окончании переходного процесса установившийся режим будет определяться системой уравнений: Из фиг. 1 видно, что смещение частот синхронизируемых сигналов относительно парциальных частот больше, чем смещение частоты входного сигнала относительно его средней частоты. Так как синхронизируемые сигналы смещаются в противоположные стороны, то у выходного сигнала с разностной частотой величина смещения частоты определяется суммой смещений частот синхронизируемых сигналов.

Рассмотрим второй случай (см. фиг.2), когда в условии (1) выбрана разность парциальных частот. Пусть частота входного сигнала получает приращение относительно средней частоты и принимает значение f_вх. Нарушается условие (1). Начинается переходный процесс. По окончании переходного процесса установившийся режим будет определяться системой уравнений:

Из фиг. 2, так же как и из фиг.1, видно, что смещение частот синхронизируемых сигналов относительно парциальных частот больше, чем смещение частоты входного сигнала относительно его средней частоты. Синхронизируемые сигналы смещаются в одну сторону, поэтому у выходного сигнала с суммарной частотой величина смещения частоты определяется суммой смещений частот синхронизируемых сигналов.

Докажем справедливость сделанных выводов аналитически.

Зависимости ϕ(f₁) и ϕ(f₂) на фиг.1 и фиг.2 имеют вид:

где Q₁ и Q₂ - добротности фазочастотных характеристик (6). Добротности обратно пропорциональны наклону характеристик и определяются выражением Q = f₀/2Δf, в котором Δf измеряется при отклонении частоты, вызвавшем фазовый сдвиг π/4. Знак минус в первом выражении (6) получен благодаря преобразованию начальной фазы сигнала синхронизации.

Решая (4) с использованием (6) относительно синхронизируемых частот получим:


Найдем частоту выходного сигнала как разность выражений (7):

Чувствительность частоты выходного сигнала к изменению частоты входного сигнала определяется выражением:

Так как знаменатель (9) может быть каким угодно малым по сравнению с числителем, то и усиление девиации может быть каким угодно большим. Решая (5) с использованием (6) получим:


Найдем частоту выходного сигнала как сумму выражений (10):

Чувствительность частоты выходного сигнала к изменению частоты входного сигнала и в этом случае определяется выражением
совпадающим с выражением (9).

Выполненный анализ показывает, что изменение наклона одной из фазовых характеристик (изменение добротности) вызывает изменение девиации частоты выходного сигнала при неизменной девиации частоты входного сигнала. Происходит преобразование (усиление) девиации частоты. Коэффициент преобразования может быть достаточно большим.

Для преобразования начальной фазы одного из сигналов синхронизации, с целью получения инверсного фазового сдвига между синхронизируемым сигналом и сигналом синхронизации, выполняют следующие операции. Сигнал синхронизации умножают сам на себя, полученный сигнал с удвоенной частотой перемножают с исходным сигналом синхронизации, у которого дополнительно смещают начальную фазу, выделяют сигнал с разностной частотой и им синхронизируют соответствующий синхронизируемый сигнал.

В установившемся режиме при смещении частоты синхронизируемого сигнала относительно собственной парциальной частоты соответствующий фазовый сдвиг между синхронизируемым сигналом и сигналом синхронизации равен Δϕ. При выделении сигнала синхронизации с разностной частотой после преобразования начальной фазы добавляется аналогичный фазовый сдвиг Δϕ. Если дополнительное смещение начальной фазы сигнала синхронизации 3Δϕ, то эквивалентный фазовый сдвиг между синхронизируем сигналом и сигналом синхронизации до преобразования начальной фазы будет равен 2Δϕ-3Δϕ = -Δϕ. Это справедливо при любых Δϕ. Соответственно эквивалентная фазовая характеристика будет инверсной и примет вид первого выражения (6).

На фиг.3 приведена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ преобразования девиации частоты периодического сигнала. Устройство содержит смеситель 1, к первому входу которого подключен выход полосного усилителя 5, а к выходу подключен вход синхронизируемого генератора 2, смеситель 3, к первому входу которого подключен выход синхронизируемого генератора 2, а к выходу подключен вход преобразователя начальной фазы сигнала синхронизации 4, выход которого подключен ко входу синхронизируемого генератора 5, смеситель 6, ко входам которого подключены выходы синхронизируемых генераторов 2 и 5, а выход подключен к полосному усилителю 7, вторые входы смесителей 1 и 3 подключены ко входу устройства, а выходом устройства является выход усилителя 7.

Устройство работает следующим образом.

Входной периодический частотно-модулированный сигнал со средней частотой f_вх0 подается на вторые входы смесителей 1 и 3, в которых перемножается с выходными сигналами синхронизируемых генераторов 2 и 5. Синхронизируемые генераторы имеют парциальные частоты f₁₀ и f₂₀ (частоты генерируемых сигналов при отсутствии сигналов синхронизации). Частота f_вх0 входного сигнала и парциальные частоты f₁₀ и f₂₀ выбираются из условия (1):f₁₀±f₂₀=f_вх0. Выходные сигналы балансных смесителей 1 и 3 содержат компоненты с суммарной и разностной частотой смешиваемых сигналов. Синхронизируемый генератор 2 синхронизируется сигналом u_C2, частота которого равна разности f_вх-f₁ или f₁-f_вх в зависимости от знака в условии (1). Синхронизируемый генератор 5 синхронизируется сигналом u*_С1, частота которого равна f_вх∓f₂ в соответствии со знаком в условии (1). Сигнал u*_С1 отличается от сигнала u_C1 только начальной фазой, которая преобразуется в преобразователе начальной фазы 4. В результате преобразования начальной фазы u_C1 эквивалентная фазочастотная характеристика синхронизируемого генератора 5 относительно входа преобразователя 4 принимает вид первого выражения (6), то есть инвертируется (см. зависимость ϕ(f₁) на фиг.1 и фиг.2). Именно фазовые характеристики синхронизируемых генераторов играют основную роль в усилении девиации частоты.

Установившийся режим в рассматриваемом устройстве определяется системой уравнений:

Если значения средней частоты входного сигнала и парциальных частот синхронизируемых генераторов отвечают условию (1), то фазовый баланс по замкнутому контуру смеситель 1, генератор 2, смеситель 3, преобразователь 4, генератор 5 выполняется при нулевых фазовых сдвигах, и частоты сигналов синхронизируемых генераторов совпадают с парциальными частотами.

Смещение частоты входного сигнала относительно среднего значения нарушает условия (12). Начинается переходный процесс, заключающийся в изменении частот выходных сигналов синхронизируемых генераторов до тех пор, пока не наступит баланс фаз при новых значениях частот. Новый установившийся режим показан на фиг. 1 и фиг.2. Ему соответствуют частоты ₁ и f₂. При определенных условиях смещение частот выходных сигналов синхронизируемых генераторов много больше смещения частоты входного сигнала. Если фазочастотные характеристики синхронизируемых генераторов описываются выражениями (6), то оценку условий, при которых происходит усиление девиации частоты, можно сделать с помощью выражения для чувствительности (9). Для максимального использования возможностей устройства выходные сигналы синхронизируемых сигналов подают на смеситель 6. Из выходного сигнала смесителя 6 с помощью полосного усилителя 7 выделяют сигнал u(f₁∓f₂), в котором смещения частот сигналов обоих синхронизируемых генераторов в любом случае складываются.

На фиг. 4 приведена структурная схема преобразователя 4 начальной фазы сигнала синхронизации, которая содержит смеситель 9, к обоим входам которого и ко входу многокаскадного полосного усилителя 8 подключен вход преобразователя 4, а выход смесителя 9 подключен к первому входу смесителя 10, ко второму входу смесителя 10 подключен выход многокаскадного полосного усилителя 8, а к выходу подключен вход полосного усилителя 11, выход которого является выходом преобразователя.

Преобразователь 4 начальной фазы сигнала синхронизации работает следующим образом.

Все каскады трехкаскадного полосного усилителя 8 и полосный усилитель 11 имеют одинаковую добротность фазочастотных характеристик, равную добротности фазочастотной характеристики синхронизируемого генератора, и настроены на парциальную частоту синхронизируемого генератора.

При смещении частоты сигнала синхронизации относительно парциальной частоты синхронизируемого генератора он в каждом каскаде усилителя 8 приобретает дополнительный фазовый сдвиг Δϕ, а в результате после трех каскадов усиления 3Δϕ. Если начальная фаза сигнала синхронизации u_C1 была ψ, то на выходе усилителя 8 его начальная фаза будет (ψ+3Δϕ). Начальная фаза сигнала с двойной частотой на выходе смесителя 9 будет 2ψ. У сигнала с разностной частотой, равной частоте сигнала синхронизации, на выходе смесителя 10 начальная фаза будет (2ψ-ψ-3Δϕ). В усилителе 11 сигнал синхронизации получит дополнительный фазовый сдвиг Δϕ, и его начальная фаза будет (ψ-2Δϕ). Сигнал синхронизируемого генератора 5 (см. фиг.3) получит дополнительный фазовый сдвиг Δϕ по отношению к сигналу синхронизации u*_С1 и его начальная фаза будет (ψ-Δϕ). Все указанное будет справедливо при любом значении Δϕ. Эквивалентная фазочастотная характеристика каскадного соединения преобразователя начальной фазы 4 и синхронизируемого генератора 5 будет инверсной по отношению к фазочастотной характеристике синхронизируемого генератора 5, и отвечает первому выражению (6).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет во много раз увеличить девиацию частоты выходного сигнала по сравнению с девиацией частоты входного сигнала и создать на его основе "частотные усилители" по аналогии с амплитудными усилителями.

Источники информации
1. Картьяну Г. Частотная модуляция. Изд-во Меридиане, - Бухарест, 1964 г. - 972 с.

2. Радиопередающие устройства. Учебник для вузов/В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев и др. - М.: Радио и связь, 1990, - 432 с.

3. Авторское свидетельство СССР 754442, G 06 G 7/26. Способ линеаризации характеристик дифференциальных частотных датчиков/ В.К. Шакурский, Ю.И. Моргунов. Опубл. 07.08.80 г. Бюл. 29.

Формула изобретения

1. Способ преобразования девиации частоты периодического сигнала, основанный на синхронизации частот периодических сигналов, заключающийся в том, что перемножают входной сигнал и первый синхронизируемый сигнал, выделяют второй сигнал синхронизации с разностной частотой, которым синхронизируют второй синхронизируемый сигнал, перемножают входной сигнал и второй синхронизируемый сигнал, выделяют первый сигнал синхронизации с разностной или суммарной частотой, которым синхронизируют первый синхронизируемый сигнал, перемножают синхронизируемые сигналы и выделяют выходной сигнал с разностной или суммарной частотой, отличающийся тем, что у одного из сигналов синхронизации дополнительно преобразуют начальную фазу таким образом, чтобы фазовый сдвиг между сигналом синхронизации и синхронизируемым сигналом стал инверсным по отношению к соответствующему фазовому сдвигу до преобразования.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что преобразование начальной фазы одного из сигналов синхронизации осуществляется путем умножения исходного сигнала синхронизации на себя, перемножения полученного сигнала с удвоенной частотой с исходным сигналом синхронизации, у которого дополнительно смещают начальную фазу, и выделения из результата перемножения сигнала с разностной частотой, равной частоте исходного сигнала синхронизации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4