Как демодулировать амплитудно-модулированный сигнал
На этом этапе мы знаем, что модуляция относится к преднамеренной модификации синусоиды, так чтобы она могла передавать низкочастотную информацию от передатчика к приемнику. Мы также рассмотрели множество деталей, относящихся к различным (амплитудному, частотному, фазовому, аналоговому, цифровому) методам кодирования информации в сигнале несущей.
Но зачем интегрировать данные в передаваемый сигнал, если мы не сможем извлечь эти данные из принятого сигнала; и именно поэтому нам необходимо изучить демодуляцию. Схемотехника демодуляции варьируется от чего-то столь же простого, как модифицированный пиковый детектор, до чего-то сложного, как когерентное квадратурное понижающее преобразование в сочетании со сложными алгоритмами декодирования, выполняемыми цифровым сигнальным процессором.
Создание сигнала
Для изучения методов демодуляции AM сигнала мы будем использовать LTspice. Но прежде чем демодулировать, нам понадобится модулированный сигнал.
В статье про AM модуляцию мы видели, что для генерации AM сигнала необходимы четыре вещи. Во-первых, нам нужны низкочастотный модулирующий сигнал и сигнал несущей частоты. Затем нам нужна схема, которая может добавить к низкочастотному сигналу соответствующее смещение по постоянному напряжению. И, наконец, нам нужен умножитель, поскольку математическая связь, соответствующая амплитудной модуляции, заключается в умножении смещенного низкочастотного сигнала на сигнал несущей.
Следующая схема LTspice будет генерировать AM сигнал.
- V1 – это источник синусоидального напряжения 1 МГц, который обеспечивает исходный низкочастотный сигнал.
- V3 создает синусоидальный сигнал несущей 100 МГц.
- Схема на операционном усилителе – это смещение по напряжению (она также уменьшает входную амплитуду вдвое). Сигнал, приходящий с V1, – это синусоида, изменяющаяся от –1 В до +1 В, а на выходе операционного усилителя мы получаем синусоиду, которая изменяется от 0 В до +1 В.
- B1 – это «источник напряжения с произвольным поведением». Его поле «value» содержит не константу, а формулу; в этом случае формула представляет собой смещенный низкочастотный сигнал, умноженный на сигнал несущей. Таким образом, B1 может использоваться для реализации амплитудной модуляции.
Ниже показан смещенный по напряжению низкочастотный сигнал.
А здесь вы можете видеть, как изменения амплитудно-модулированного сигнала согласуются с низкочастотным модулирующим сигналом (т.е. с оранжевым графиком, который в основном затенен синим графиком сигнала несущей).
Увеличение масштаба по времени показывает отдельные периоды несущей частоты 100 МГц.
Демодуляция
Как обсуждалось на странице амплитудной модуляции, операция умножения, используемая для реализации амплитудной модуляции, приводит к переносу спектра низкочастотного сигнала в полосы, окружающие положительную несущую частоту (+fнес) и отрицательную несущую частоту (–fнес). Таким образом, мы можем думать об амплитудной модуляции как о сдвиге исходного спектра вверх на величину fнес и вниз на величину fнес. Из этого следует, что умножение модулированного сигнала на несущую частоту будет возвращать спектр обратно в исходное положение, т.е. будет смещать спектр вниз на fнес таким образом, чтобы он снова был отцентрирован вокруг 0 Гц.
Вариант 1: умножение и фильтрация
Следующая схема LTspice включает в себя демодулирующий источник напряжения с произвольным поведением; B2 умножает AM сигнал на несущую.
А вот результат:
Он явно не выглядит правильным. Если мы увеличим масштаб, то увидим следующее:
Это и раскрывает проблему. После амплитудной модуляции спектр низкочастотного сигнала центрирован вокруг +fнес. Умножение амплитудно-модулированного сигнала смещается спектр низкочастотного модулирующего сигнала вниз до 0 Гц, но также сдвигает его и до 2fнес (в данном случае 200 МГц), поскольку (как сказано выше) умножение перемещает существующий спектр вверх на величину fнес и вниз на величину fнес.
Понятно, что для правильной демодуляции недостаточно одного умножения. Нам необходимо умножение и фильтр нижних частот; фильтр будет подавлять спектр, сдвинутый до 2fнес. Следующая схема включает в себя RC фильтр нижних частот с частотой среза ~1,5 МГц.
И ниже показан демодулированный сигнал:
Этот метод на самом деле более сложный, чем кажется, потому что фаза сигнала несущей частоты приемника должна быть синхронизирована с фазой несущей передатчика. Это обсуждается далее в пятой статье данной главы («Понятие квадратурной демодуляции»).
Вариант 2: пиковый детектор
Как вы можете видеть на графике, который приведен выше и показывает амплитудно-модулированный сигнал (синий) и смещенный низкочастотный модулирующий сигнал (оранжевый), положительная часть «огибающей» AM сигнала соответствует низкочастотному сигналу. Термин «огибающая» относится к изменениям амплитуды синусоиды несущей (а не к изменениям мгновенной величины самого сигнала). Если бы мы могли каким-то образом извлечь положительную часть огибающей AM сигнала, то могли бы восстановить низкочастотный сигнал без использования умножителя.
Оказывается, что это довольно легко, преобразовать положительную огибающую в обычный сигнал. Начнем с пикового детектора, который представляет собой только диод, за которым следует конденсатор. Диод проводит ток, когда входной сигнал минимум на ~0,7 В выше напряжения на конденсаторе, в противном случае он действует как разомкнутая цепь. Таким образом, конденсатор поддерживает пиковое напряжение: если текущее входное напряжение ниже напряжения конденсатора, напряжение конденсатора не уменьшается, поскольку смещенный в обратном направлении диод предотвращает разряд.
Однако мы не хотим, чтобы пиковый детектор сохранял пиковое напряжение в течение длительного периода времени. Вместо этого нам нужна схема, которая сохраняет пик относительно высокочастотных колебаний сигнала несущей, но не сохраняет пик относительно низкочастотных изменений огибающей. Другими словами, нам нужен пиковый детектор, который удерживает пик только в течение короткого периода времени. Мы можем достичь этого, добавив параллельное сопротивление, которое позволяет конденсатору разряжаться (этот тип схемы называется «пиковый детектор с утечкой», где «утечка» относится к пути разряда, обеспечиваемому резистором). Сопротивление выбирается таким образом, чтобы разряд был достаточно медленным, чтобы сгладить несущую частоту, и достаточно быстрым, чтобы не сглаживать частоту огибающей.
Ниже приведен пример пикового детектора с утечкой для демодуляции AM сигнала:
Обратите внимание, что я усилил AM сигнал в пять раз, чтобы сделать входной сигнал пикового детектора большим по сравнению с прямым напряжением диода. Следующий график показывает общий результат, который мы пытаемся достичь с помощью пикового детектора с утечкой.
Конечный сигнал показывает ожидаемую диаграмму заряда/разряда:
Для сглаживания этих колебаний может использоваться фильтр нижних частот.
Резюме
- Для создания амплитудно-модулированного сигнала в LTspice может использоваться источник напряжения с произвольным поведением.
- AM сигналы могут быть демодулированы с помощью умножителя, за которым следует фильтр нижних частот.
- Более простой (и более дешевый) подход заключается в использовании пикового детектора с утечкой, т.е. пикового детектора с параллельным сопротивлением, которое позволяет конденсатору разряжаться с соответствующей скоростью.
RU2504894C1 — Способ демодуляции фазомодулированных и частотно-модулированных сигналов и устройство его реализации — Google Patents
Publication number RU2504894C1 RU2504894C1 RU2012120464/08A RU2012120464A RU2504894C1 RU 2504894 C1 RU2504894 C1 RU 2504894C1 RU 2012120464/08 A RU2012120464/08 A RU 2012120464/08A RU 2012120464 A RU2012120464 A RU 2012120464A RU 2504894 C1 RU2504894 C1 RU 2504894C1 Authority RU Russia Prior art keywords frequency terminal modulated complex phase Prior art date 2012-05-17 Application number RU2012120464/08A Other languages English ( en ) Other versions RU2012120464A ( ru Inventor Александр Афанасьевич Головков Ирина Александровна Малютина Original Assignee Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военный авиационный инженерный университет» (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 2012-05-17 Filing date 2012-05-17 Publication date 2014-01-20 2012-05-17 Application filed by Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военный авиационный инженерный университет» (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации filed Critical Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военный авиационный инженерный университет» (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации 2012-05-17 Priority to RU2012120464/08A priority Critical patent/RU2504894C1/ru 2013-11-27 Publication of RU2012120464A publication Critical patent/RU2012120464A/ru 2014-01-20 Application granted granted Critical 2014-01-20 Publication of RU2504894C1 publication Critical patent/RU2504894C1/ru
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к области радиосвязи и радиолокации. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости приемника. Способ демодуляции фазомодулированных и частотно-модулированных сигналов отличается тем, что в качестве нелинейного элемента используют трехполюсный нелинейный элемент, четырехполюсник выполняют комплексным из реактивных и резистивных элементов, трехполюсный нелинейный элемент включают между выходом четырехполюсника и введенной в поперечную цепь перед фильтром нижних частот высокочастотной нагрузкой по схеме с общим одним из трех электродов, источник фазомодулированного или частотно-модулированного сигнала подключают к входу четырехполюсника, заданные зависимости модуля передаточной функции высокочастотной части демодулятора от частоты в интересах формирования заданного склона амплитудно-частотной характеристики обеспечивают за счет выбора зависимости элемента z11 матрицы сопротивлений комплексного четырехполюсника от частоты с помощью следующего математического выражения:
. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретения относятся к области радиосвязи и радиолокации и могут быть использованы для демодуляции фазоманипулированных, фазомодулированных, частотно-манипулированных и частотно-модулированных сигналов.
Известен способ демодуляции фазомодулированных сигналов (ФМС), состоящий в том, что на два нелинейных элемента одновременно подаются в противофазе высокочастотный ФМС и в фазе высокочастотное опорное колебание с частотой, равной несущей частоте ФМС. В результате происходит сравнение изменяемой во времени фазы ФМС и постоянной фазы опорного колебания, в следствие чего осуществляется преобразование ФМС в амплитудно-модулированный и фазомодулированный сигнал (АФМС). При этом амплитуда изменяется по закону изменения фазы. Этот сигнал далее испытывает такие же преобразования, как и в амплитудном демодуляторе [Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1988, стр.286-292]. Это означает, что на нелинейных элементах спектр АФМС разрушается (разлагается) на низкочастотные и высокочастотные составляющие. Далее с помощью фильтра нижних частот выделяется низкочастотная составляющая, амплитуда которой изменяется по закону изменения фазы входного ФМС. Затем, с помощью разделительной емкости, включенной в продольную цепь (последовательно), устраняется постоянная составляющая, возникшая на нелинейных элементах в результате взаимодействия с АФМС. После этого низкочастотные колебания, содержащие полезную информацию, выделяются на низкочастотной нагрузке.
Этот способ и устройство можно использовать и для демодуляции частотно-модулированных сигналов (ЧМС), в которых фаза изменяется по закону интеграла от частоты. Для этого низкочастотные колебания, содержащие полезную информацию, необходимо подать на дифференцирующую цепь.
Недостаток такого способа и устройства его реализации состоит в том, что для выделения низкочастотного сигнала, амплитуда которого изменяется в соответствии с законом изменения фазы высокочастотного ФМС, необходимо наличие генератора опорных колебаний. Другим недостатком является отсутствие возможности коррекции коэффициента амплитудной модуляции АФМС, что при прохождении через резонансные цепи приводит к уменьшению этой характеристики, то есть к известному явлению частичной демодуляции АФМС или к снижению помехоустойчивости. Основным недостатком является малая величина квазилинейного участка фазовой демодуляционной характеристики из-за использования только реактивных элементов и отсутствия выбора их параметров по критерию преобразования ФМС в АФМС в заданной полосе частот или на заданном количестве частот. В режиме частотной демодуляции основным недостатком является малая величина квазилинейного участка частотной демодуляционной характеристики из-за использования только реактивных элементов и отсутствия выбора их параметров по критерию преобразования ЧМС в амплитудно-модулированный и ЧМС (АЧМС) в заданной полосе частот или на заданном количестве частот.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ демодуляции фазомодулированных и частотно-модулированных сигналов, состоящий в том, что для демодуляции ФМС и ЧМС используют частотный детектор, состоящий из каскадно-соединенных амплитудного ограничителя, преобразователя ЧМС АЧМС в виде параллельного колебательного контура и обычного амплитудного демодулятора. Далее процесс выделения низкочастотной составляющей осуществляется так же, как описано выше. Особенность использования этого частотного детектора для демодуляции ФМС состоит в том, что если частота несущего сигнала ФМС расположена на правом склоне амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) контура, то низкочастотную составляющую подают на дифференцирующую цепь. Если частота несущего сигнала ФМС расположена на левом склоне АЧХ контура, то низкочастотную составляющую подают на интегрирующую цепь. В результате на выходе устройства имеем низкочастотное колебание, амплитуда которого изменяется по закону изменения фазы входного высокочастотного фазомодулированного колебания.
Особенность использования этого частотного детектора для демодуляции ЧМС состоит в том, что если частоту несущего сигнала ЧМС располагают на левом склоне АЧХ контура. При этом амплитуда АЧМС изменяется по закону изменения частоты. [Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1988, стр.286-292]. При необходимости между источником модулированных сигналов и нелинейным элементом или между нелинейным элементом и нагрузкой включают реактивный или резистивный четырехполюсник для согласования и дополнительной селекции сигнала и помехи. В результате на выходе устройства имеем низкочастотное колебание, амплитуда которого изменяется по закону изменения частоты входного высокочастотного частотно-модулированного колебания.
Недостаток способа и устройства его реализации состоит в том, что после преобразования ФМС в АФМС коэффициент амплитудной модуляции АФМС не контролируется и, как правило, бывает незначительным по величине, что ухудшает помехоустойчивость [Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1988, стр.286-292. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 1986, стр.247-252]. Основным недостатком является малая величина квазилинейного участка демодуляционной характеристики из-за использования только реактивных элементов и отсутствия выбора их параметров по критерию преобразования ФМС в АФМС в заданной полосе частот или на заданном количестве частот. В режиме частотной демодуляции основным недостатком является малая величина квазилинейного участка частотной демодуляционной характеристики из-за использования только реактивных элементов и отсутствия выбора их параметров по критерию преобразования ЧМС в амплитудно-модулированный и ЧМС (АЧМС) в заданной полосе частот или на заданном количестве частот.
Кроме того, классическая теория радиотехнических цепей предполагает, что нелинейный элемент является чисто резистивным и безынерционным, в связи с чем он никак не реагирует на изменение частоты и фазы входного сигнала, а реагирует только на изменение амплитуды. Между тем, повседневный опыт показывает, что нелинейные элементы имеют внутренние емкости и индуктивности, которые оказывают существенное влияние на формирование зависимости их проводимости (сопротивления или элементов матрицы проводимостей или сопротивлений) от частоты и фазы. Особенно существенно это проявляется с повышением частоты, к чему в настоящее время в основном стремятся проектировщики новых систем и средств радиосвязи.
Следующим важным недостатком всех перечисленных способов и устройств является то, что все элементы четырехполюсников (согласующих устройств) выполнены реактивными, что связано со стремлением разработчиков не вносить дополнительных потерь путем использования комплексных двухполюсников на основе как реактивных, так и резистивных элементов. При использовании в согласующих устройствах только реактивных или только резистивных элементов не всегда удается обеспечить условия согласования по критерию обеспечения требуемых значений модулей и фаз коэффициентов передачи в двух состояниях управляемого нелинейного элемента, определяемых двумя частотами входного ФМС или входного ЧМС, в интересах формирования заданного склона АЧХ, поскольку они имеют определенные области физической реализуемости (области изменения действительной и мнимой составляющих сопротивлений источника сигнала и нагрузки), в пределах которых реализуются эти условия согласования (Головков А.А. Комплексированные радиоэлектронные устройства. М.: Радио и связь, 1996. — 128 с.).
Техническим результатом изобретения является расширение областей физической реализуемости как областей изменения действительной и мнимой составляющих сопротивлений источника сигнала и нагрузки, в пределах которых одновременно обеспечивается требуемые значения модулей и фаз коэффициентов передачи в двух состояниях, определяемых двумя частотами входного ФМС или ЧМС, в интересах формирования заданного склона АЧХ для преобразования ФМС в АФМС или ЧМС в АЧМС за счет оптимизации схемы и значений параметров комплексного четырехполюсника при одновременном увеличении полосы частот, в которой это преобразование возможно, что повышает помехоустойчивость приемника. Возможность изменения варианта включения нелинейного элемента относительно согласующего комплексного четырехполюсника еще более расширяет области физической реализуемости.
1. Указанный результат достигается тем, что в известном способе демодуляции фазомодулированных и частотно-модулированных сигналов, состоящем в том, что фазомодулированный или частотно-модулированный сигнал подают на демодулятор, выполненный из четырехполюсника, нелинейного элемента, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, фазомодулированный сигнал преобразовывают в амплитудно-фазомодулированный сигнал, частотно-модулированный сигнал преобразуют в амплитудно-частотно-модулированный сигнал, преобразование фазомодулированного сигнала в амплитудно-фазомодулированный сигнал и частотно-модулированного сигнала в амплитудно-частотно-модулированный сигнал осуществляют путем подачи этих сигналов на левый склон АЧХ демодулятора, с помощью нелинейного элемента разрушают спектр амплитудно-фазомодулированного сигнала и амплитудно-частотно-модулированного сигнала на высокочастотные и низкочастотные составляющие, низкочастотную составляющую подают на интегрирующую цепь-фильтр нижних частот, с помощью фильтра нижних частот выделяют информационный низкочастотный сигнал, амплитуда которого изменяется по закону изменения фазы фазомодулированного входного сигнала или по закону изменения частоты частотно-модулированного сигнала, с помощью разделительной емкости устраняют постоянную составляющую, дополнительно в качестве нелинейного элемента используют трехполюсный нелинейный элемент, четырехполюсник выполняют комплексным из реактивных и резистивных элементов, трехполюсный нелинейный элемент включают между выходом четырехполюсника и введенной в поперечную цепь перед фильтром нижних частот высокочастотной нагрузкой по схеме с общим одним из трех электродов, источник фазомодулированного или частотно-модулированного сигнала подключают к входу четырехполюсника, заданные зависимости модуля передаточной функции высокочастотной части демодулятора от частоты в интересах формирования заданного склона амплитудно-частотной характеристики обеспечивают за счет выбора зависимости элемента z11 матрицы сопротивлений комплексного четырехполюсника от частоты с помощью следующего математического выражения:
; z21, z11 — заданные зависимости соответствующих элементов матрицы сопротивлений комплексного четырехполюсника от частоты в заданной полосе частот; m21, φ21 — заданные зависимости модуля и фазы передаточной функции от частоты в заданной полосе частот;
— заданные зависимости комплексных элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента от частоты в заданной полосе частот; z0, zn — заданные зависимости комплексных сопротивлений источника фазомодулированного или частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки от частоты в заданной полосе частот.
2. Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве демодуляции фазомодулированных и частотно-модулированных сигналов, состоящем из источника фазомодулированного и частотно-модулированного сигнала, четырехполюсника, нелинейного элемента, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, дополнительно четырехполюсник выполнен комплексным в виде обратного Г- образного соединения двух комплексных двухполюсников, в качестве нелинейного элемента использован трехполюсный нелинейный элемент, нелинейный элемент включен по схеме с общим одним из трех электродов между выходом четырехполюсника и введенной перед фильтром нижних частот в поперечную цепь высокочастотной нагрузкой, источник фазомодулированного и частотно-модулированного сигнала подключен к входу четырехполюсника, первый двухполюсник обратного Г-образного соединения сформирован из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R1, первой катушки с индуктивностью L1, произвольного реактивного двухполюсника с сопротивлениями Х01, Х02 на двух заданных частотах и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R2 и второй катушки с индуктивностью L2, значения параметров первого двухполюсника обратного Г-образного соединения определены в соответствии со следующими математическими выражениями:
r1, r2, x1, x2 — оптимальные значения действительных и мнимых составляющих сопротивления первого комплексного двухполюсника обратного Г-образного соединения на двух частотах;
— оптимальные значения комплексного сопротивления первого комплексного двухполюсника обратного Г-образного соединения на двух частотах;
; Z2n — заданные значения комплексного сопротивления второго комплексного двухполюсника обратного Г-образного соединения на двух частотах; m21n, φ21n — заданные значения модулей и фаз передаточной функции высокочастотной части демодулятора на двух частотах;
— заданные значения комплексных элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента на двух частотах; z0n, znn — заданные значения комплексных сопротивлений источника фазомодулированного и частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки на двух частотах; ω1,2=2πf1,2; n=1,2 — номера заданных двух частот f1,2.
На фиг.1 показана схема устройства демодуляции фазомодулированных и частотно-модулированных сигналов (прототип), реализующего способ-прототип.
На фиг.2 показана структурная схема предлагаемого устройства по п.2, реализующего предлагаемый способ по п.1.
На фиг.3 приведена схема комплексного четырехполюсника предлагаемого устройства по п.2.
На фиг.4 приведена схема первого комплексного двухполюсника, входящего в состав комплексного четырехполюсника предлагаемого устройства по п.2
Устройство-прототип (фиг.1) содержит источник 1 фазомодулированных и частотно-модулированных сигналов, четырехполюсник 2, нелинейный элемент 3, фильтр нижних частот 4 на элементах R, C, разделительная емкость 5 на элементе Ср и низкочастотную нагрузку 6 на элементах Rн, Сн.
Принцип действия устройства демодуляции фазомодулированных и частотно-модулированных сигналов (прототипа) состоит в следующем.
Фазомодулированный или частотно-модулированный сигнал от источника 1 подают на демодулятор (фиг.1). Принцип действия устройства, реализующего этот способ состоит в том, что с помощью реактивного четырехполюсника 2, представляющего собой параллельный колебательный контур и включенного между источником ФМС или ЧМС и нелинейным элементом, преобразовывают ФМС в АФМС или ЧМС в АЧМС,, с помощью нелинейного элемента 3 разрушают спектр АФМС или АЧМС на высокочастотные и низкочастотные составляющие. Последние выделяются с помощью фильтра нижних частот (интегрирующей цепи) 4 и поступают в низкочастотную нагрузку 6. Разделительная емкость 5 устраняет постоянную составляющую. В результате на выходе устройства имеем низкочастотное колебание, амплитуда которого изменяется по закону изменения огибающей высокочастотного АФМС (АЧМС), то есть по закону изменения фазы входного ФМС (частоты входного ЧМС), изменяющейся по закону изменения амплитуды первичного сигнала. Недостатки способа и устройства его реализации описаны выше.
Высокочастотная часть (до фильтра нижних частот) структурной схемы обобщенного предлагаемого устройства по п.2 (фиг.2) состоит из каскадно-соединенных источника ФМС или ЧМС 1, комплексного четырехполюсника 2, трехэлектродного нелинейного элемента 3 (включен по схеме с общим одним из трех электродов) и высокочастотной нагрузки 7. Низкочастотная часть структурной схемы содержит фильтр нижних частот (интегрирующую цепь) 4, разделительную емкость 5 и низкочастотную нагрузку 6. Комплексный четырехполюсник (КЧ) 2 выполнен в виде обратного Г-образного соединения двух комплексных двухполюсников с сопротивлениями Z1 — 8, Z2 — 9 (фиг.3). Частотные зависимости элемента z11 матрицы сопротивлений КЧ 2 выбраны из условия формирования квазилинейного склона АЧХ высокочастотной части демодулятора с заданными значениями модулей передаточной функции на двух заданных частотах требуемой полосы частот. Реализация этих зависимостей осуществлена выбором схемы КЧ в виде обратного Г-образного звена, оптимальной частотной зависимости первого комплексного двухполюсника-8 этого звена и реализацией этой частотной зависимости выбором схемы первого комплексного двухполюсника из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R1 — 10, первой катушки с индуктивностью L1 — 11, произвольного реактивного двухполюсника с сопротивлениями Х01, Х02 — 12 на двух заданных частотах и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R2 — 13 и второй катушки с индуктивностью L2 — 14 (фиг.4) и выбором значений параметров R1, R2, L1, L2 из условия обеспечения операции преобразования ФМС в АФМС (ЧМС в АЧМС) путем формирования квазилинейного склона АЧХ высокочастотной части демодулятора в заданной полосе частот с помощью определенных математических выражений.
Принцип действия данного устройства состоит в том, что при подаче ФМС (ЧМС) от источника 1 с сопротивлением z0 в результате специального выбора значений параметров R1, R2, L1, L2 элементов первого комплексного двухполюсника обратного Г-образного звена будет сформирован левый склон АЧХ демодулятора с заданными значениями модулей передаточной функции на двух заданных частотах требуемой полосы частот. Это обеспечивает заданный коэффициент амплитудной модуляции АФМС (АЧМС) в большей полосе частот, что повышает помехоустойчивость приемника. Одновременно спектр АФМС (АЧМС) разрушается при помощи нелинейного элемента 3, включенного между источником ФМС или ЧМС и четырехполюсником. В результате низкочастотное колебание, амплитуда которого изменяется по закону изменения фазы входного ФМС (частоты входного ЧМС), выделяется на низкочастотной нагрузке 6, то есть осуществляется фазовая демодуляция. При этом сопротивления источника ФМС или ЧМС и нагрузки могут быть выбраны произвольно.
Докажем возможность реализации указанных свойств. Пусть известны зависимости комплексных сопротивлений нагрузки zн, источника высокочастотного сигнала (ФМС или ЧМС)z0 и элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента
от частоты при заданной амплитуде постоянного напряжения. Для простоты записи аргументы ω=2πf (круговая частота) и U, I (напряжение или ток постоянной амплитуды источника питания) опущены.
RU2366075C1 — Способ и устройство демодуляции амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов — Google Patents
Publication number RU2366075C1 RU2366075C1 RU2008104995/09A RU2008104995A RU2366075C1 RU 2366075 C1 RU2366075 C1 RU 2366075C1 RU 2008104995/09 A RU2008104995/09 A RU 2008104995/09A RU 2008104995 A RU2008104995 A RU 2008104995A RU 2366075 C1 RU2366075 C1 RU 2366075C1 Authority RU Russia Prior art keywords amplitude terminal nonlinear element low values Prior art date 2008-02-11 Application number RU2008104995/09A Other languages English ( en ) Inventor Александр Афанасьевич Головков (RU) Александр Афанасьевич Головков Игорь Игоревич Федюнин (RU) Игорь Игоревич Федюнин Original Assignee Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежское высшее военное авиационное инженерное училище (военный институт)» Министерства обороны Российской Федерации Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 2008-02-11 Filing date 2008-02-11 Publication date 2009-08-27 2008-02-11 Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежское высшее военное авиационное инженерное училище (военный институт)» Министерства обороны Российской Федерации filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежское высшее военное авиационное инженерное училище (военный институт)» Министерства обороны Российской Федерации 2008-02-11 Priority to RU2008104995/09A priority Critical patent/RU2366075C1/ru 2009-08-27 Application granted granted Critical 2009-08-27 Publication of RU2366075C1 publication Critical patent/RU2366075C1/ru
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано для демодуляции амплитудно-манипулированных, а также амплитудно-модулированных сигналов с заданной коррекцией глубины амплитудной модуляции. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости с заданной глубиной амплитудной модуляции. В способе и устройстве демодуляции AM сигналов двухэлектродный нелинейный элемент включают между четырехполюсником и введенной высокочастотной нагрузкой в поперечную цепь. Четырехполюсник выполняют из числа реактивных двухполюсников, не меньшего трех, значения параметров которых выбраны из условия обеспечения требуемого значения глубины амплитудной модуляции амплитудно-модулированного сигнала. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано для демодуляции амплитудно-манипулированных и амплитудно-модулированных сигналов.
Все известные способы демодуляции амплитудно-модулированных сигналов (АМС) состоят из выполнения следующих операций. От источника АМС подают на нелинейный элемент, с его помощью разрушают спектр АМС на высокочастотные и низкочастотные составляющие. С помощью фильтра нижних частот (ФНЧ) выделяют низкочастотные составляющие колебания, амплитуда которых изменяется по закону изменения огибающей АМС. С помощью разделительной емкости, включенной в продольную цепь, устраняют постоянную составляющую и низкочастотную переменную составляющую подают на нагрузку.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство демодуляции амплитудно-модулированных сигналов, состоящий в том, что амплитудно-модулированный сигнал подают на демодулятор из параллельно или последовательно включенного полупроводникового диода к фильтру низких частот [Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1988, стр.286-292]. Принцип действия устройства состоит в том, что с помощью нелинейного элемента (диода) разрушается спектр амплитудно-модулированного сигнала (АМС) на высокочастотные и низкочастотные составляющие. Последние выделяются с помощью фильтра нижних частот и поступают в нагрузку. При необходимости между источником модулированных сигналов и нелинейным элементом или между нелинейным элементом и нагрузкой включают реактивный или резистивный четырехполюсник для согласования и дополнительной селекции сигнала и помехи. В результате на выходе устройства имеем низкочастотное колебание, амплитуда которого изменяется по закону изменения огибающей входного высокочастотного амплитудно-модулированного колебания. Недостаток устройства состоит в том, что при прохождении АМС через указанную цепь глубина модуляции уменьшается, причем чем уже полоса пропускания контура, т.е. чем лучше помехоустойчивость, тем глубина модуляции уменьшается на большую величину. Кроме того, неизвестны абсолютные значения амплитуд низкочастотного колебания в крайних его состояниях. Значения амплитуд определяются абсолютными значениями модулей коэффициентов передачи в двух состояниях и амплитудами входного сигнала. Абсолютные значения модулей коэффициентов передачи демодулятора в двух состояниях нелинейного элемента, определяемых двумя крайними значениями уровней входного АМС, также неизвестны.
Указанный недостаток связан с тем, что в традиционной теории радиотехнических цепей указанный выше четырехполюсник не оптимизируется по критерию обеспечения заданных значений модулей коэффициентов передачи демодулятора в двух состояниях нелинейного элемента, определяемых двумя крайними значениями уровней входного АМС. Не оптимизируется также место включения нелинейного элемента. Это связано с тем, что в традиционной теории нелинейный элемент считается безынерционным, т.е. не имеющим внутренних емкостей и индуктивностей.
Техническим результатом изобретения является обеспечение заданных значений модулей коэффициентов передачи демодулятора в двух состояниях нелинейного элемента, определяемых двумя крайними значениями уровней входного АМС. Это приводит к заданной коррекции глубины амплитудной модуляции независимо от ее значения на входе демодулятора, что повышает помехоустойчивость приемника. Возможность выбора места включения нелинейного элемента обеспечивает повышение возможности физической реализуемости и увеличения рабочей полосы частот.
1. Указанный результат достигается тем, что в способе демодуляции амплитудно-модулированных сигналов, состоящем в том, что демодулятор включают между источником радиочастотных амплитудно-модулированных сигналов и низкочастотной нагрузкой и выполняют его из четырехполюсника, двухэлектродного нелинейного элемента, фильтра нижних частот, с помощью нелинейного элемента разлагают спектр амплитудно-модулированных сигналов, с помощью фильтра нижних частот выделяют информационный низкочастотный сигнал, амплитуда которого изменяется по закону изменения амплитуды амплитудно-модулированного входного сигнала, дополнительно нелинейный элемент включают между четырехполюсником и введенной высокочастотной нагрузкой в поперечную цепь, четырехполюсник выполняют из числа реактивных двухполюсников, не меньшего трех, значения параметров которых выбирают из условия обеспечения заданной глубины амплитудной модуляции, определяемой заданным значением модуля коэффициента передачи демодулятора во втором состоянии нелинейного элемента и определенным из условия физической реализуемости значением модуля коэффициента передачи демодулятора в первом состоянии нелинейного элемента, при этом указанные условия определяются следующими математическими выражениями:
a, b, c, d — элементы классической матрицы передачи четырехполюсника; g0, b0 — заданные значения действительной и мнимой составляющих проводимости источника сигнала; gн, bн — заданные значения действительной и мнимой составляющей проводимости нагрузки; g1,2, b1,2 — заданные значения действительной и мнимой составляющих проводимости двухэлектродного управляемого элемента в двух состояниях, определяемых двумя уровнями амплитуды входного амплитудно-модулированного сигнала.
2. Указанный результат достигается тем, что в устройстве демодуляции амплитудно-модулированных сигналов, состоящем из четырехполюсника, двухэлектродного нелинейного элемента, фильтра нижних частот, последовательно включенной разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, дополнительно двухполюсный нелинейный элемент включен между четырехполюсником и введенной высокочастотной нагрузкой в поперечную цепь (параллельно), к высокочастотной нагрузке подключен фильтр нижних частот, четырехполюсник выполнен из П-образной схемы соединения трех реактивных двухполюсников с сопротивлениями x1, x2, x3, значения которых выбраны из условия обеспечения заданного значения модуля коэффициента передачи демодулятора во втором состоянии нелинейного элемента и условия определения значения модуля коэффициента передачи демодулятора в первом состоянии нелинейного элемента, при котором обеспечивается физическая реализуемость четырехполюсника, при этом указанные условия реализуются путем использования следующих математических выражений:
a, b, c, d — элементы классической матрицы передачи четырехполюсника; g0, b0 — заданные значения действительной и мнимой составляющих проводимости источника сигнала; gн, bн — заданные значения действительной и мнимой составляющей проводимости нагрузки; g1,2, b1,2 — заданные значения действительной и мнимой составляющих проводимости двухэлектродного управляемого элемента в двух состояниях, определяемых двумя уровнями амплитуды входного амплитудно-модулированного сигнала.
На фиг.1 показана схема устройства модуляции амплитуды и фазы радиочастотных сигналов (прототип).
На фиг.2 показана структурная схема предлагаемого устройства по п.2.
На фиг.3 приведена схема четырехполюсника по п.3, входящая в предлагаемое устройство.
Устройство-прототип содержит источник 1 амплитудно-модулированных сигналов, четырехполюсник 2, нелинейный элемент 3, фильтр нижних частот 4 на элементах R, С, разделительная емкость 5 на элементе Ср и низкочастотную нагрузку 6 на элементах Rн, Сн.
Принцип действия устройства демодуляции амплитудно-модулированных сигналов (прототипа) состоит в следующем.
Амплитудно-модулированный сигнал от источника 1 подают на демодулятор из последовательно включенного полупроводникового диода к ФНЧ. Принцип действия устройства, реализующего этот способ, состоит в том, что с помощью нелинейного элемента 3 разрушается спектр АМС на высокочастотные и низкочастотные составляющие. Последние выделяются с помощью ФНЧ 4 и поступают в низкочастотную нагрузку 6. Между источником модулированных сигналов и нелинейным элементом включен реактивный четырехполюсник 2 для согласования и селекции сигнала и помехи. Разделительная емкость 5 устраняет постоянную составляющую. В результате на выходе устройства имеем низкочастотное колебание, амплитуда которого изменяется по закону изменения огибающей входного высокочастотного амплитудно-модулированного колебания.
Недостаток способа и устройства его реализации состоит в том, что при прохождении АМС через указанную цепь глубина модуляции уменьшается, причем чем уже полоса пропускания контура, т.е. чем лучше помехоустойчивость, тем глубина модуляции уменьшается на большую величину. Кроме того, неизвестны абсолютные значения амплитуд низкочастотного колебания в крайних его состояниях. Значения амплитуд определяются абсолютными значениями модулей коэффициентов передачи в двух состояниях и амплитудами входного сигнала. Абсолютные значения модулей коэффициентов передачи демодулятора в двух состояниях нелинейного элемента, определяемых двумя крайними значениями уровней входного АМС, также неизвестны.
Высокочастотная часть структурной схемы обобщенного предлагаемого устройства по п.2 (фиг.2) состоит из каскадно-соединенных источника сигнала 1, реактивного четырехполюсника 2, двухполюсного нелинейного элемента 3, включенного между четырехполюсником и высокочастотной нагрузкой 7 в поперечную цепь. Низкочастотная часть структурной схемы содержит ФНЧ 4, разделительную емкость 5 и низкочастотную нагрузку 6. Четырехполюсник выполнен в виде П-образного звена из трех двухполюсников с сопротивлениями x1(8), x2(9), x3(10), значения которых выбраны из условия обеспечения заданной коррекции глубины амплитудной модуляции принятого амплитудно-модулированного сигнала.
Принцип действия данного устройства состоит в том, что при подаче АМС от источника 1 с сопротивлением z0 (проводимостью y0) в результате специального выбора значений параметров классической матрицы передачи четырехполюсника 2 (значений сопротивлений двухполюсников) из условий обеспечения заданных значений модулей коэффициентов передачи демодулятора в двух состояниях нелинейного элемента, определяемых двумя крайними значениями уровней входного АМС, после прохождения его через высокочастотную часть достигается минимум искажений входного сигнала. В дальнейшем спектр АМС разрушается при помощи нелинейного элемента 3, ФНЧ 4 выделяет низкочастотную составляющую, постоянная составляющая устраняется с помощью разделительной емкости 5. В результате низкочастотное колебание, амплитуда которого изменяется по закону огибающей АМС, выделяется на низкочастотной нагрузке 6.
Независимо от величины глубины амплитудной модуляции входного амплитудно-модулированного сигнала появляется возможность задания максимальных и минимальных значений амплитуды выходного низкочастотного сигнала. Это приводит к возможности заданной коррекции глубины амплитудной модуляции независимо от ее значения на входе приемника.
При непрерывном изменении амплитуды амплитудно-модулированного сигнала будет реализована демодуляция входного сигнала.
Докажем возможность реализации указанных свойств.
Пусть на фиксированной частоте известны сопротивления источника сигнала Z0=r0+jx0, нагрузки Zн=rн+jxн и нелинейного элемента Z1,2=r1,2+jx1,2(y1,2=g1,2+jb1,2) в двух состояниях, определяемых двумя крайними уровнями амплитуды входного амплитудно-модулированного сигнала.
При взаимодействии амплитудно-модулированного сигнала с демодулятором модули сигнала в двух состояниях, определяемых максимальным и минимальным значениями его амплитуды, перемножаются с модулями коэффициента передачи в этих двух состояниях.
Требуется определить минимальное количество элементов и значения параметров схемы СФУ (реактивного четырехполюсника РЧ), при которых в заданных состояниях управляемого элемента обеспечивались бы заданные значения модулей
m1,2 коэффициента передачи
Глубина амплитудной модуляции M амплитудно-модулированного сигнала определяется известными выражениями:
Таким образом, с учетом условия взаимности (x12=-x21) СФУ может характеризоваться матрицей сопротивления
и соответствующей классической матрицей передачи
-определитель матрицы (2).
Управляемый элемент в первом и втором состояниях характеризуется следующей матрицей передачи:
Умножим матрицы (3) и (4). С учетом Z0, Zн найдем нормированную матрицу передачи всего устройства:
Следовательно [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971. с.39), выражение для коэффициента передачи будут иметь вид
Поскольку управляемый нелинейный элемент включен параллельно, то целесообразнее перейти к формулам и выражениям в терминах проводимостей нелинейного элемента, источника сигнала, нагрузки и элементов матрицы проводимости четырехполюсников. В этом случае получаются более простые формулы и выражения. Тогда получим выражения для коэффициентов передачи
где y0=g0+jb0; yн=gн+jbн — проводимости источника сигнала и нагрузки; b11, b21, b22 — элементы матрицы проводимостей четырехполюсника
Подкоренное выражение в (7) можно представить в виде комплексного числа α1+jb1, где
После денормировки коэффициента передачи (6) путем умножения на
последнее выражение изменяется α=gн; b=bн.
Денормированный коэффициент передачи связан с физически реализуемой передаточной функцией следующим образом
Для получения взаимосвязей, оптимальных по критерию обеспечения заданных значений модулей и фаз коэффициента передачи модулятора в двух состояниях управляемого элемента, подставим (7) в (1) и после разделения действительной и мнимой частей между собой получим систему двух уравнений:
Решение системы (9) имеет вид двух взаимосвязей между элементами матрицы сопротивлений СФУ:
Взаимосвязи (10), записанные для двух состояний, должны быть попарно равны, поскольку характеризуют один и тот же четырехполюсник. Полученные из этих равенств уравнения совместно не решаются. Поэтому необходимо перейти от взаимосвязей между элементами матрицы сопротивлений к взаимосвязям между элементами классической матрицы передачи:
; а, b, c, d — элементы классической матрицы передачи.
Взаимосвязи между элементами классической матрицы передачи, оптимальные по критерию обеспечения заданных значений модулей и фаз коэффициентов передачи в двух состояниях, имеют вид
где A=G2(E1-E2)+H2(D1-D2); B=G1(E2-E1)+H1(D2-D1);
C=G2(F1-F2)+H2(E2-E1); D=G1(F2-F1)+H1(E1-E2);
Таким образом, все четыре коэффициента α, β, γ, α оказываются строго заданными. Однако эти коэффициенты связаны между собой известным условием взаимности четырехполюсника [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971. с 14], которое в наших обозначениях имеет следующую форму:
Условие (13) накладывает ограничение на одну из величин, входящих в эти коэффициенты. В данном случае в качестве такой величины удобно выбрать значение модуля коэффициента передачи модулятора в одном из состояний, например:
Выражение (14) обеспечивает условие (13). Поэтому для определения оптимальных значений сопротивлений двухполюсников, формирующих четырехполюсник, достаточно использовать любые три соотношения из четырех (12).
В данной работе используются коэффициенты α, β, γ. Это означает, что количество неуправляемых элементов в четырехполюснике должно быть не менее трех. Значения параметров этих элементов, оптимальных по критерию обеспечения требуемых значений m2, должны удовлетворять системе трех уравнений, формируемых на основе (12). Для этого необходимо взять пробную схему четырехполюсника, найти матрицу передачи этой схемы и представить ее в следующем виде:
Найденные таким образом элементы α, β, γ, выраженные через параметры схемы, нужно подставить в (12) и решить сформированную систему трех уравнений относительно выбранных трех параметров (например, сопротивлений двухполюсников). Значения остальных параметров могут быть выбраны произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений. Эти параметры могут также относиться к управляемой части, то есть участвовать в формировании y1, y2 (входить в коэффициенты D, E, F, G, H). Выражение (14) определяет значение модуля коэффициента передачи в первом состоянии управляемого элемента. Величина m2 задается исходя из требуемых значений глубины амплитудной модуляции.
В соответствии с этим алгоритмом были определены математические выражения для отыскания оптимальных значений сопротивлений двухполюсников типовой схемы четырехполюсника в виде П-образного звена.
Сопротивления двухполюсников схемы, изображенной на фиг.3, определяется с помощью следующих выражений:
После определения значений сопротивлений конкретная схема четырехполюсника формируется следующим образом. Если xn>0 (n=1, 2, 3 — номер двухполюсника), то это индуктивность
, где f — заданная частота.
Если xn<0, то это емкость . Подкоренное выражение в (16) в силу условия (13) всегда положительно.
Предлагаемые технические решения являются новыми, поскольку из общедоступных сведений неизвестно устройство демодуляции амплитудно-модулированных сигналов, обеспечивающее заданные модули коэффициентов передачи демодулятора в двух состояниях двухполюсного управляемого элемента, определяемых двумя крайними уровнями амплитудно-модулированного сигнала, состоящее из управляемого двухполюсного элемента, включенного в поперечную цепь (параллельно) между выходом реактивного четырехполюсника и нагрузкой, причем четырехполюсник выполнен в виде П-образного звена из трех реактивных двухполюсников, высокочастотной нагрузки, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки. Параметры двухполюсников определены по соответствующим математическим выражениям. При этом значение модуля коэффициента передачи в одном из состояний выбрано оптимальным по критерию обеспечения физической реализуемости. В обоих состояниях управляемого элемента значения модулей коэффициентов передачи контролируются. Таким образом, независимо от величины глубины амплитудной модуляции входного амплитудно-модулированного сигнала появляется возможность задания максимальных и минимальных значений выходного низкочастотного сигнала.
Предлагаемые технические решения имеют изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций (выполнение четырехполюсника реактивным в виде указанным выше способом соединенных между собой трех двухполюсников, выбора значений их параметров из условия обеспечения заданных значений модулей коэффициентов передачи в двух состояниях на заданной частоте при изменении состояния управляемого двухполюсного элемента, включенного между выходом реактивного четырехполюсника и нагрузкой в поперечную цепь, обеспечивает одновременно демодуляцию амплитудно-модулированного сигнала с коррекцией его глубины амплитудной модуляции и физическую реализуемость.
Предлагаемые технические решения практически применимы, так как для их реализации могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью полупроводниковые диоды, индуктивности и емкости, сформированные в заявленную схему реактивного четырехполюсника. Значения параметров индуктивностей и емкостей, а также значение модуля коэффициента передачи в одном состоянии однозначно могут быть определены с помощью математических выражений, приведенных в формуле изобретения.
Технико-экономическая эффективность предложенного устройства заключается в одновременном обеспечении заданных значений модулей коэффициентов передачи амплитудного демодулятора в двух состояниях управляемого элемента, что приводит к заданной коррекции глубины амплитудной модуляции входного сигнала, что, в свою очередь, повышает помехоустойчивость приемника.
Claims ( 2 )
1. Способ демодуляции амплитудно-модулированных сигналов, состоящий в том, что демодулятор включают между источником радиочастотных амплитудно-модулированных сигналов и низкочастотной нагрузкой и выполняют его из четырехполюсника, двухэлектродного нелинейного элемента, фильтра нижних частот, с помощью нелинейного элемента разлагают спектр амплитудно-модулированных сигналов, с помощью фильтра нижних частот выделяют информационный низкочастотный сигнал, амплитуда которого изменяется по закону изменения амплитуды амплитудно-модулированного входного сигнала, отличающийся тем, что нелинейный элемент включают между четырехполюсником и введенной высокочастотной нагрузкой в поперечную цепь, четырехполюсник выполняют из числа реактивных двухполюсников, не меньшего трех, значения параметров которых выбирают из условия обеспечения заданной глубины амплитудной модуляции, определяемой заданным значением модуля коэффициента передачи демодулятора во втором состоянии нелинейного элемента и определенным из условия физической реализуемости значением модуля коэффициента передачи демодулятора в первом состоянии нелинейного элемента, при этом указанные условия определяются следующими математическими выражениями:
a, b, c, d — элементы классической матрицы передачи четырехполюсника; g0, b0 заданные значения действительной и мнимой составляющих проводимости источника сигнала; gн, bн заданные значения действительной и мнимой составляющей проводимости нагрузки; g1,2, g1,2 заданные значения действительной и мнимой составляющих проводимости двухэлектродного нелинейного элемента в двух состояниях, определяемых двумя уровнями амплитуды входного амплитудно-модулированного сигнала.
2. Устройство демодуляции амплитудно-модулированных сигналов, состоящее из четырехполюсника, двухэлектродного нелинейного элемента, фильтра нижних частот, последовательно включенной разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, отличающееся тем, что двухполюсный нелинейный элемент включен между четырехполюсником и введенной высокочастотной нагрузкой в поперечную цепь, к высокочастотной нагрузке подключен фильтр нижних частот, четырехполюсник выполнен из П-образной схемы соединения трех реактивных двухполюсников с сопротивлениями x1, x2, x3, значения которых выбраны из условия обеспечения заданного значения модуля коэффициента передачи демодулятора во втором состоянии нелинейного элемента и условия определения значения модуля коэффициента передачи демодулятора в первом состоянии нелинейного элемента, при котором обеспечивается физическая реализуемость четырехполюсника, при этом указанные условия реализуются путем использования следующих математических выражений:
a, b, c, d — элементы классической матрицы передачи четырехполюсника; g0, b0 — заданные значения действительной и мнимой составляющих проводимости источника сигнала; gн, bн — заданные значения действительной и мнимой составляющей проводимости нагрузки; g1,2, g1,2 — заданные значения действительной и мнимой составляющих проводимости двухэлектродного нелинейного элемента в двух состояниях, определяемых двумя уровнями амплитуды входного амплитудно-модулированного сигнала.
RU2008104995/09A 2008-02-11 2008-02-11 Способ и устройство демодуляции амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов RU2366075C1 ( ru )
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008104995/09A RU2366075C1 ( ru ) | 2008-02-11 | 2008-02-11 | Способ и устройство демодуляции амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008104995/09A RU2366075C1 ( ru ) | 2008-02-11 | 2008-02-11 | Способ и устройство демодуляции амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2366075C1 true RU2366075C1 ( ru ) | 2009-08-27 |
Family
ID=41150054
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008104995/09A RU2366075C1 ( ru ) | 2008-02-11 | 2008-02-11 | Способ и устройство демодуляции амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU ( 1 ) | RU2366075C1 ( ru ) |
Cited By (6)
- 2008
- 2008-02-11 RU RU2008104995/09A patent/RU2366075C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (2)
* Cited by examiner, † Cited by third party
Title БАСКАКОВ С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Высшая школа, 1988, с.289. ГОЛОВКОВ А.А. и др. Взаимосвязи между элементами матрицы сопротивлений и их использование для синтеза согласующе-фильтрующих устройств амплитудно-фазовых манипуляторов. Телекоммуникации, 2004, №8, с.29-32. * БУГА Н.Н. и др. Радиоприемные устройства. — М.: Радио и связь, 1986, 149, рис.5.13а). * Cited By (6)
* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title RU2453035C1 ( ru ) * 2011-02-24 2012-06-10 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военный авиационный инженерный университет» (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Способ амплитудной модуляции и демодуляции высокочастотных сигналов и устройство его реализации RU2488217C2 ( ru ) * 2011-10-13 2013-07-20 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военный авиационный инженерный университет» (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Способ амплитудной модуляции и демодуляции высокочастотных сигналов и устройство его реализации RU2488948C2 ( ru ) * 2011-10-13 2013-07-27 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военный авиационный инженерный университет» (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Способ амплитудной модуляции и демодуляции высокочастотных сигналов и устройство его реализации RU2488947C2 ( ru ) * 2011-10-13 2013-07-27 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военный авиационный инженерный университет» (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Способ амплитудной, фазовой и частотной модуляции высокочастотных сигналов и многофункциональное устройство его реализации RU2488946C2 ( ru ) * 2011-10-13 2013-07-27 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военный авиационный инженерный университет» (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Способ амплитудной, фазовой и частотной модуляции высокочастотных сигналов и многофункциональное устройство его реализации RU2488945C2 ( ru ) * 2011-10-21 2013-07-27 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военный авиационный инженерный университет» (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Способ амплитудной, фазовой и частотной модуляции высокочастотных сигналов и многофункциональное устройство его реализации Similar Documents
Publication Publication Date Title RU2341890C1 ( ru ) 2008-12-20 Устройства демодуляции фазомодулированных радиочастотных сигналов RU2366075C1 ( ru ) 2009-08-27 Способ и устройство демодуляции амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов RU2354039C1 ( ru ) 2009-04-27 Способ модуляции амплитуды и фазы радиочастотных сигналов и устройство его реализации RU2341882C1 ( ru ) 2008-12-20 Устройства демодуляции фазомодулированных радиочастотных сигналов RU2341887C1 ( ru ) 2008-12-20 Устройства демодуляции фазомодулированных радиочастотных сигналов RU2341888C1 ( ru ) 2008-12-20 Устройства демодуляции фазомодулированных радиочастотных сигналов RU2369005C1 ( ru ) 2009-09-27 Способ демодуляции амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов и устройство его реализации RU2371835C1 ( ru ) 2009-10-27 Способ демодуляции фазомодулированных радиочастотных сигналов и устройство его реализации RU2353049C1 ( ru ) 2009-04-20 Способ модуляции амплитуды и фазы радиочастотных сигналов и устройство его реализации RU2366076C1 ( ru ) 2009-08-27 Способ демодуляции фазомодулированных радиочастотных сигналов и устройство его реализации RU2341886C1 ( ru ) 2008-12-20 Устройства демодуляции фазомодулированных радиочастотных сигналов RU2373634C1 ( ru ) 2009-11-20 Способ и устройство демодуляции амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов RU2373631C1 ( ru ) 2009-11-20 Способ демодуляции амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов и устройство его реализации RU2373635C1 ( ru ) 2009-11-20 Способ и устройство демодуляции амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов RU2371832C1 ( ru ) 2009-10-27 Способ и устройство демодуляции амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов RU2371837C1 ( ru ) 2009-10-27 Способ демодуляции фазомодулированных радиочастотных сигналов и устройство его реализации RU2341883C1 ( ru ) 2008-12-20 Устройства демодуляции фазомодулированных радиочастотных сигналов RU2371836C1 ( ru ) 2009-10-27 Способ демодуляции фазомодулированных радиочастотных сигналов и устройство его реализации RU2351060C2 ( ru ) 2009-03-27 Способ демодуляции амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов и устройство его реализации RU2341877C1 ( ru ) 2008-12-20 Способ демодуляции амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов и устройства его реализации RU2373632C1 ( ru ) 2009-11-20 Способ демодуляции амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов и устройство его реализации RU2373633C1 ( ru ) 2009-11-20 Способ демодуляции амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов и устройство его реализации RU2341880C1 ( ru ) 2008-12-20 Способ демодуляции фазомодулированных радиочастотных сигналов и устройства его реализации RU2483430C2 ( ru ) 2013-05-27 Способ демодуляции и фильтрации фазомодулированных сигналов и устройство его реализации RU2371834C1 ( ru ) 2009-10-27 Способ демодуляции фазомодулированных радиочастотных сигналов и устройство его реализации Legal Events
Effective date: 20100212
Амплитудная модуляция. Балансная амплитудная модуляция с подавлением несущей (double side band DSB)
В данной статье речь пойдет о разновидностях аналоговой амплитудной модуляции. Предполагается, что читатель понимает смысл комплексной огибающей полосового радиосигнала, а также понятия аналитического сигнала и преобразования Гильберта.
Как было отмечено ранее, процесс модуляции заключается в формировании низкочастотной комплексной огибающей
после чего производится перенос этой комплексной огибающей на несущую частоту умножением на
Также было отмечено, что все виды модуляции различаются только способом формирования комплексной огибающей на основе модулирующего сигнала
Формирование сигналов с амплитудной модуляцией
Рассмотрим как производится формирование комплексной огибающей в случае с амплитудной модуляцией (АМ).
При АМ производится изменение только амплитуды несущего колебания при постоянной начальной фазе:
где — закон изменения амплитуды, а — постоянная начальная фаза несущего колебания. Потребуем, чтобы модулирующий сигнал имел нулевую постоянную составляющую и Тогда где носит название глубины АМ и радиосигнал с АМ имеет вид:
Поясним смысл глубины АМ, для этого возьмем частный случай модулирующего сигнала где В этом случае получим так называемую однотональную АМ. При амплитуда несущего колебания не меняется. На рисунках 1 — 4 приведены графики АМ сигнала при различной глубине модуляции: от 0 до 1,5. Синим показана амплитуда При глубине модуляции от 0 до 1 амплитуда несущего колебания совпадает с , однако при наблюдается перемодуляция, так как пересекает ось абсцисс.
Рисунок 1: АМ сигнал при глубине модуляции равной 0
Рисунок 2: АМ сигнал при глубине модуляции равной 0,5
Рисунок 3: АМ сигнал при глубине модуляции равной 1
Рисунок 4: АМ сигнал при глубине модуляции равной 1,5
Если глубина АМ выбрана так, что перемодуляции не наблюдается, то измерить глубину АМ можно по осциллограмме радиосигнала. Для этого необходимо померить максимальную и минимальную амплитуду несущего колебания как это показано на рисунке 5, и по ним рассчитать глубину АМ по формуле:
Рисунок 5: Измерение глубины АМ по осциллограмме радиосигнала
Необходимо отметить, что перемодуляция вредный эффект, которого необходимо избегать, в противном случае возникнут проблемы при демодуляции сигнала.
Теперь рассмотрим структурную схему АМ модулятора. Для этого выделим из АМ сигнала (4) комплексную огибающую:
Таким образом, комплексная огибающая равна , тогда квадратурные составляющие комплексной огибающей равны:
Тогда структурная схема АМ модулятора на базе универсального квадратурного модулятора может быть представлена как это показано на рисунке 6.
Рисунок 6: Структурная схема АМ модулятора
Данная схема не является оптимальной, ее можно упростить, задав фазу комплексной огибающей равную нулю, тогда
Таким образом, квадратурная составляющая не учитывается, и радиосигнал формируется простым умножением несущего колебания на как это показано на рисунке 7.
Рисунок 7: Упрощенная схема АМ
Спектр сигналов с амплитудной модуляцией
Рассмотрим теперь спектр однотональной АМ. Для этого представим АМ сигнал в виде:
Таким образом, можно сделать вывод о том, что спектр однотональной АМ имеет три гармоники. Амплитудный и фазовый спектры сигнала с АМ представлены на рисунке 8.
Рисунок 8: Амплитудный и фазовый спектр сигнала с АМ
Центральная гармоника не несет никакой информации, однако ее амплитуда максимальна и не зависит от глубины АМ. Информация заключена в боковых гармониках, при этом их уровень зависит от глубины АМ, чем она выше, тем уровень боковых гармоник больше. Максимальное значение глубины АМ при котором не наблюдается перемодуляции , это означает, что максимальный уровень боковых гармоник в 2 раза ниже уровня несущей частоты. При этом как нетрудно заметить при суммарная мощность информационных гармоник будет в 2 раза ниже мощности несущей частоты, другими словами передатчик бОльшую часть энергии тратит на излучение неинформационной несущей, то есть просто обогревает космос. Также необходимо сделать замечание: спектр АМ сигнала всегда симметричен относительно центральной частоты, если модулирующий сигнал чисто вещественный.
Сигналы с балансной АМ (DSB) и их спектр
Давайте теперь допустим, что у нас есть перемодуляция, т.е. . Тогда при уровень информационных гармоник сравняется с уровнем несущей и при дальнейшем росте глубины модуляции уровень информационных гармоник уже начнет превосходить уровень несущей. Если позволить глубине модуляции расти неограниченно, то можно сделать предельный переход:
В выражении (10) множитель введен для того, чтобы зафиксировать уровень боковых информационных гармоник ( это легко понять рассмотрев выражение ). В результате при увеличении будет наблюдаться падение уровня несущей при фиксированном уровне информационных гармоник, так как все гармоники делятся на Такой предельный переход приводит к балансной АМ с подавлением несущей (DSB). Действительно, уровень несущей будет:
Рассмотрим однотональную балансную АМ с подавлением несущей при
Таким образом, спектр однотональной балансной АМ с подавлением несущей содержит всего две гармоники как это представлено на рисунке 9.
Рисунок 9: Спектр однотональной балансной АМ с подавлением несущей
Комплексная огибающая балансной АМ имеет вид где
Cигнал с балансной АМ (10) имеет вид, представленный на рисунке 10. При этом можно заметить, что на осциллограмме видна несущая частота, которая отсутствует в спектре. Однако при пересечении модулирующим сигналом оси абсцисс, несущее колебание меняет знак (фаза сдвигается на ), это видно из рисунка 11 и в результате при излучении несущее колебание скомпенсируется, хотя на осциллограмме его можно увидеть.
Рисунок 10: Осциллограмма сигнала с балансной АМ с подавлением несущей
Рисунок 11: Сдвиг фазы при балансной АМ компенсирует несущую при излучении
Схема модулятора балансной АМ такая же как и в случае с АМ без подавления несущей, просто другой способ формирования амплитуды комплексной огибающей.
Векторное представление сигналов с АМ и DSB
Рассмотрим векторное представление комплексной огибающей сигналов с АМ и с балансной АМ (рисунок 12).
Рисунок 12: Векторное представление комплексной огибающей сигналов с АМ (а) и балансной АМ с подавлением несущей (б)
В обоих случаях вектор повернут на угол и меняет свою амплитуду по закону При этом при АМ вектор всегда направлен в одну сторону и амплитуда меняется в зависимости от глубины АМ от до согласно (5), а при балансной АМ вектор меняется по амплитуде в пределах , причем в зависимости от модулирующего сигнала, вектор комплексной огибающей меняет знак на противоположный, что означает что фаза меняется на радиан (смотри рисунок 12 б).
Главное преимущество балансной АМ — полное подавление несущей частоты. Вся мощность передатчика идет на излучение информационных составляющих. Как и в случае с АМ, спектр радиосигнала с балансной АМ симметричен относительно несущей частоты. Ширина спектра радиосигнала с балансной АМ равна удвоенной верхней частоте модулирующего сигнала, или в случае однотональной модуляции ширина спектра равна
Таким образом, мы рассмотрели формирование АМ радиосигнала. Можно сделать выводы:
АМ сигнал формируется путем управления амплитудой несущего колебания по закону модулирующего сигнала.
Введено понятие глубины АМ, показано, что при слишком больших значениях глубины АМ может возникнуть перемодуляция, искажающая модулирующий сигнал.
При отсутствии перемодуляции на излучение информации приходится не более 33% мощности сигнала, остальное — излучение несущей, а при балансной АМ несущая подавлена и вся мощность расходуется на излучение информации.
Показано, что спектр АМ всегда симметричен относительно несущей при вещественном модулирующем сигнале и имеет ширину равную удвоенной верхней частоте модулирующего сигнала.