Способ усиления радиосигналов путем управляемой регенерации
Владельцы патента RU 2595921:
Стародубцев Юрий Иванович (RU)
Алисевич Евгения Александровна (RU)
Изобретение относится к области радиотехники, в частности к регенеративным и сверхрегенеративным усилителям радиосигналов. Техническим результатом способа является обеспечение требуемого усиления с исключением перехода усилительного элемента в режим генерации за счет перегрузки его входным сигналом либо одновременного усиления реализаций сигнала, принадлежащих разным временным интервалам. В способе выделяют аналоговый сигнал, усиливают его до требуемого значения, преобразуют сигнал в цифровую форму при помощи аналогово-цифрового преобразователя, каждую сформированную кодовую последовательность передают на один из идентичных каналов усиления и цифровой обработки, где ее запоминают, сравнивают с пороговым значением, если значение сигнала меньше порогового значения, то вычисляют, на сколько разрядов влево необходимо сдвинуть соответствующую кодовую последовательность в запоминающем устройстве, что эквивалентно усилению, сдвигают ее на необходимое количество разрядов, если значение сигнала больше или равно пороговому значению, то коммутируют на вход сумматора, где кодовые последовательности фрагментов сигнала объединяются и на выходе которого получают сигнал заданной амплитуды мощности. 7 ил.
Изобретение относится к области радиотехники, в частности к регенеративным и сверхрегенеративным усилителям радиосигналов.
В общем случае усилителем называется устройство, предназначенное для усиления электрических (электромагнитных) колебаний в системах многоканальной связи, радиоприемной, радиопередающей, измерительной и др. аппаратуре. В качестве усилительных элементов традиционно используются электронная лампа, транзистор, туннельный диод и т.д. [Большая советская энциклопедия. Электронный ресурс. URL: http://bse.chemport.ru/usilitel_elektricheskih_kolebanij.shtml. Дата обращения 06.12.2014 г.].
Задача усиления радиосигналов может быть решена двумя принципиально разными способами.
Наиболее широко распространенным способом является последовательное соединение усилительных элементов (каскадов) [В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991 г. - 622 с., стр. 333; Королев Г.В. Электронные устройства автоматики: Учеб. Пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк. - 1991. - 256 с., стр. 15 -18].
Типовая структурная схема последовательного (многокаскадного) усилительного тракта представлена на фиг. 1.
К основным недостаткам данного способа относятся:
возрастание склонности к самовозбуждению усилительного тракта по мере увеличения усилительных каскадов;
собственные шумы каждого каскада усиливаются всеми последующими каскадами;
сложность реализации одновременной перестройки всех каскадов для усиления в широкой полосе частот;
снижение надежности усилительного тракта по мере увеличения числа усилительных каскадов;
конструктивное усложнение усилительного тракта, приводящее к росту масс габаритов, энергопотребления и стоимости.
Для снижения влияния этих недостатков разработано значительное число способов (экранирование, автоматическая регулировка усиления, т.д.), которые не обеспечивают полное решение проблемы, а только снижают уровень проявления недостатков, заложенных в сущности способа последовательного усиления.
Вторым направлением в решении задачи усиления радиосигналов является включение в схему усилителя цепей обратной связи. Его суть схематично представлена на фиг. 2.
Обратной связью называется передача части (или всей) энергии сигнала с выхода на вход устройства. Сниматься сигнал обратной связи может с выхода всего устройства или с какого-либо промежуточного каскада. При этом усилительное устройство может быть и однокаскадным [В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991 г. - 622 с., стр. 226].
Обратная связь может быть положительной, в случае если фазы входного сигнала и сигнала обратной связи совпадают и амплитуды складываются, и отрицательной при несовпадении фаз входного сигнала и сигнала обратной связи, что приводит к их вычитанию.
Основное применение в усилителях в настоящее время находит отрицательная обратная связь (ООС). Она позволяет повысить стабильность работы усилителей, а также улучшить другие важные параметры и характеристики.
Положительная обратная связь (ПОС) находит применение в генераторах, а иногда и в частотно-избирательных усилителях.
Выделяют следующие основные варианты цепей обратной связи: последовательная по току (последовательно-последовательная, Z-типа), последовательная по напряжению (последовательно-параллельная, Н-типа), параллельная по напряжению (параллельно-параллельная, Y-типа) и параллельная по току (параллельно-последовательная, G-типа). Существуют и смешанные (комбинированные) варианты ОС [А.С. Красько. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Электронный ресурс.URL: http://www.redov.ru/kompyutety_i_internet/shemotehnika_analogovyh_yelektronnyh_ustroistv/index.php. Дата обращения 06.12.2014 г.].
Впервые данный способ усиления радиосигналов был предложен и технически реализован Эдвином Говардом Армстронгом в виде регенеративной схемы (с положительной обратной связью) [Патент №US 1.113.149 «Беспроводная система приема», выд. 06.10.1914 г.], являющейся наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению и взятой в качестве прототипа.
В патенте представлено 6 фигур, обобщенная техническая суть которых представлена на фиг. 3 применительно к элементной базе того времени.
Основными элементами базовой схемы регенератора Армстронга являются:
L1 - основная катушка индуктивности колебательного контура;
L2- катушка связи с антенной;
L3 - катушка индуктивности обратной связи;
C1 - конденсатор настройки;
С2 - конденсатор управления регенерацией;
С3 - конденсатор ВЧ фильтра;
V1 - усилительный элемент - лампа (триод).
Суть работы регенератора заключается в следующем (фиг. 3).
Сигнал радиостанции, принятый антенной, через катушку связи L2 поступает на резонансный контур L1C1. Через сеточные элементы схемы, конденсатор Cg=100 пФ и резистор Rg=1 мОм сигнал подается на вход триода. Усиленный ВЧ ток, протекающий в цепи анода, создает магнитное поле вокруг катушки L3, в результате чего ВЧ энергия поступает обратно в контур в фазе, совпадающей с фазой принимаемого сигнала, усиливая его. Теперь мы имеем более сильный ВЧ ток на катушке L3, больше энергии подается обратно в контур в фазе, и эта энергия снова усиливается и так далее [Р. Варгас-Патрон. Современный регенеративный приемник Армстронга. Электронный ресурс. URL: http://zpostbox.ru/the_modern_armstrong_regenerative_receiver.html].
Таким образом, осуществляется процесс многократного усиления радиосигнала одним усилительным элементом. Вследствие чего усиление получается очень большим, что и обеспечивает положительные свойства регенератора, а именно:
простота технического решения;
высокая чувствительность;
более высокая, чем при последовательном усилении, избирательность;
незначительные массогабаритные характеристики.
Установлено, что регенеративные приемники обладают и рядом недостатков:
малейшее изменение питающих напряжений изменяет режим работы усилительного элемента, и либо он срывается (переходит) в режим генерации, либо снижается коэффициент усиления;
изменение температурного режима изменяет характеристики частотно задающих элементов и приводит к тем же эффектам;
изменение уровня входного сигнала изменяет режим усилительного элемента и приводит к тем же эффектам;
изменение частоты входного сигнала приводит к изменению коэффициента усиления с тем же результатом;
неидентичность процессов регенерации на различных частотах;
наличие эффекта гистерезиса, т.е. возникновение регенерации при перестройке слева направо (по диапазону частот) и справа налево не совпадает как по силе обратной связи, так и по частоте;
изменение частоты настройки при изменении величины обратной связи;
чем выше чувствительность и избирательность, тем неустойчивей прием.
В последующем предпринимались попытки исключения либо снижения степени влияния указанных недостатков.
Известны технические решения, использующие принцип сверхрегенеративного усиления и обладающие таким же преимуществом, как возможность получения очень большого усиления с некоторым повышением устойчивости к указанным дестабилизирующим факторам.
В [Л.В. Кубаркин. Сверхрегенератор Армстронга. / Радиолюбитель. - 1929 г. - №1. - Стр. 13-16] описан сверхрегенератор Амстронга.
Обобщенная суть данного технического решения представлена на фиг. 4 и заключается в том, что колебания (генерация) контура L1C срываются 10000 раз в секунду. Благодаря этому промежутки времени, благоприятные для возникновения генерации, - моменты отрицательного потенциала, - являются достаточно продолжительными для того, чтобы генерация успела вновь возникнуть
Известно техническое решение [Патент СССР 01.01.1958 г., SU 114562 «Сверхрегенератор»], техническим результатом которого является повышение способности сверхрегенератора к усилению коротких сигналов. Результат достигается посредством сокращения времени затухания колебаний за счет подключения электронной лампы к контуру сверхрегенератора, на которую подается управляющее напряжение частоты дробления сигнала в противофазе с лампой сверхрегенератора.
Известно также техническое решение [Патент СССР 15.04.1979 г., SU 657623 «Сверхрегенератор»], техническим результатом которого является повышение пороговой чувствительности сверхрегенератора за счет устранения ударных колебаний при любой крутизне импульсов суперизации без существенного усложнения схемы либо расширение полосы пропускания при заданной чувствительности.
Однако данные технические решения направлены на устранение лишь отдельных из перечисленных недостатков, процесс усиления остается неконтролируемым, что, в конечном счете, неизбежно при конечной протяженности линейной характеристики любого усилительного элемента.
То есть любой усилительный элемент не способен линейно усиливать сигнал сколь угодно большой амплитуды (мощности).
Графически эта ситуация представлена на фиг. 5.
Таким образом, необходимо контролировать количество возможных циклов регенерации с учетом:
- величины начального сигнала;
- коэффициента усиления усилительного элемента;
- величины (протяженности) линейной части вольт-амперной характеристики примененного усилительного элемента.
Очевидно, что слабый сигнал, поступающий на усилительный элемент с низким коэффициентом усиления, но значительной линейной частью вольт-амперной характеристики (ВАХ), можно усиливать значительное число раз. Однако сигнал со значительной амплитудой, поданный на усилительный элемент со значительным (большем, чем в первом случае) коэффициентом усиления и меньшей величиной линейного участка ВАХ, возможно усиливать меньше число раз.
Таким образом, для усиления с величиной искажений, не превышающей заданный порог, необходимо постоянно контролировать амплитуду сигнала, учитывать коэффициент усиления и величину линейной части вольт-амперной характеристики усилительного элемента для принятия решения о реализуемом (потенциально возможном) количестве циклов регенерации R.
Принципиально важно, что во всех известных схемах регенераторов на вход усилительного элемента одновременно подается сигнал от источника и одна из возможных задержанных на время обработки копий усиливаемого сигнала. Следует подчеркнуть, что входной и выходной сигнал любого усилительного элемента сдвинуты на время t, предопределяемое временем быстродействия примененного используемого усилительного элемента. При этом необходимо учитывать, что сдвиг времени между сигналом и его n-й копией на выходе усилительного элемента увеличивается при каждом цикле регенерации.
Для квазистационарного (по амплитуде, частоте, фазе и т.д.) сигнала этот эффект менее значим, а для высокоинформативного, быстро изменяющегося (по любому параметру, промоделированному информационным сигналом) будет критически важным.
Более того, уже первая копия сигнала (сигнал на выходе усилительного элемента) поступает на вход усилительного элемента не с исходным сигналом, а сигналом, сдвинутым по оси времени на Δt, что приводит к возрастанию искажений.
Таким образом, для неискаженного приема сигналов необходимо подавать на вход усилительного элемента только сигнал (или его копии), принадлежащие одному интервалу, т.е. не усиливать одновременно сигналы, принадлежащие разным временным интервалам. Иначе в конечном счете будут выполнены условия возбуждения, и регенератор перейдет в режим генерации, т.е. прием прекратится.
Сущность предлагаемого технического решения направлена на преодоление (исключение) выявленных принципиальных недостатков.
Техническим результатом предлагаемого способа является обеспечение требуемого усиления с исключением перехода усилительного устройства в режим генерации за счет исключения одновременного усиления сигналов, принадлежащим разным временным интервалам.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг. 6 - блок-схема алгоритма предлагаемого способа;
фиг. 7 - обобщенная структурная схема усилительного устройства, где УС - усилительное устройство, АЦП - аналогово-цифровой преобразователь, ЗУ - запоминающее устройство, Σ - сумматор.
Суть способа заключается в следующем (фиг. 6, фиг. 7). При помощи входных селективных цепей выделяют аналоговый сигнал (бл. 1, фиг. 6), подают его на вход усилительного устройства (УС) (бл. 2, фиг. 6; бл. УС, фиг. 7), коэффициент усиления которого определяется чувствительностью срабатывания аналогово-цифрового преобразователя (АЦП).
При помощи АЦП (бл. 3, фиг. 6; бл. АЦП, фиг. 7) сигналы преобразуют в цифровой вид.
Схема АЦП может быть выбрана исходя из необходимых и достаточных условий представления аналогового сигнала в дискретный за один такт синхронизации (определяется исходя из требуемых значений разрешающей способности, динамического диапазона, времени преобразования и т.д.) [Глинкин Е.И. Схемотехника аналого-цифровых преобразователей. Монография. - 2-е изд., испр. - Тамбов: ТГТУ, 2009. - 160 с., стр. 108-155].
Далее при помощи коммутирующего устройства К значение первого отсчета сигнала коммутируют на один из идентичных каналов усиления и цифровой обработки (как вариант по порядку условных номеров от меньшего к большему), состоящий из запоминающего устройства (ЗУ), решающего устройства и цепей обратной связи (бл. 4, фиг. 6; бл. К, ЗУ, РУ, ЦОС, фиг. 7).
Запоминающее устройство представляет собой регистр сдвига, число разрядов которого определяется количеством разрядов, используемых при оцифровке входного сигнала АЦП.
В решающем устройстве значение сигнала сравнивается с пороговым значением (бл. 6, фиг. 6).
Если сигнал меньше заданного значения, то в решающем устройстве вычисляют, на сколько разрядов влево необходимо сдвинуть цифровую последовательность. Так, например, известно, что сдвиг влево на один разряд двоичного числа эквивалентен его умножению на два [Самофалов К.Г., Ромлинкевич A.M., Валуйский В.Н., Каневский Ю.С., Пиневич М.М. Прикладная теория цифровых автоматов. - К.: Высшая школа. Головное изд-во, 1987. - 375 с., стр. 178].
По цепи обратной связи от решающего устройства к запоминающему устройству осуществляется управляющее воздействие.
Если сигнал больше или равен пороговому, то он поступает на сумматор. Сумматор служит для объединения выходных сигналов из n каналов усиления и цифровой обработки в правильной временной последовательности.
По завершении заданного временного интервала сигнал с выхода сумматора коммутируем (подаем) на последующие устройства обработки, а усилительно-преобразовательные тракты, задействованные ранее, переводятся в исходное состояние.
Частота работы тактового генератора предопределяется значением Δtобр. Это время занятия одного канала усиления и преобразования.
Вторичные сигналы тактовых импульсов для синхронной работы коммутатора, АЦП, запоминающих и решающего устройств получают путем деления с умножением частоты тактового генератора нужное количество раз с помощью известных способов и устройств (делители, умножители частоты).
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает устранение двух принципиальных недостатков известных регенераторов и сверхрегенераторов: неконтролируемые усиления входных сигналов и одновременное усиление фрагментов сигнала, принадлежащих различным временным интервалам.
Технический результат - обеспечение требуемого усиления с исключением перехода усилительного устройства в режим генерации за счет исключения одновременного усиления сигналов, принадлежащим разным временным интервалам, достигнут.
Способ усиления радиосигналов путем управляемой регенерации, заключающийся в том, что выделяют аналоговый сигнал, усиливают его до требуемого значения, отличающийся тем, что преобразуют сигнал в цифровую форму при помощи аналогово-цифрового преобразователя, каждую сформированную кодовую последовательность коммутируют на один из идентичных каналов усиления и цифровой обработки, где ее запоминают, сравнивают с пороговым значением, если значение сигнала меньше порогового значения, то вычисляют, на сколько разрядов влево необходимо сдвинуть соответствующую кодовую последовательность в запоминающем устройстве, что эквивалентно усилению, сдвигают ее на необходимое количество разрядов, если значение сигнала больше или равно пороговому значению, то коммутируют на вход сумматора, где кодовые последовательности каналов усиления и цифровой обработки объединяются и на выходе которого получают сигнал заданной амплитуды.
