Способ калибровки измерителя коэффициента амплитудной модуляции

 

Изобретение относится к области радиотехнических измерений и может быть использовано при аттестации образцовых средств измерений. Технический результат - повышение точности формирования амплитудно-модулированных (АМ) сигналов за счет уменьшения влияния нестабильности амплитуды и частоты модулирующего колебания на величину коэффициента амплитудной модуляции. Задача, на решение которой направлено техническое решение, достигается тем, что по способу формирования образцовых АМ сигналов, заключающемуся в гармоническом воздействии с частотой модуляции F_m на элемент устройства для формирования АМ колебаний, определяющий амплитуду колебания несущей частоты f_н, с последующим измерением максимального и минимального значений АМ сигнала и вычислением по ним коэффициента модуляции, из гармонических колебаний несущий частоты f_н формируют последовательности прямоугольных импульсов удвоенной частоты 2f_н, которые управляют коммутатором, переключающим резисторы масштабного преобразователя, отношение которых, определяющее в моменты прохождения нулевых значений колебаниями несущей частоты f_н величину его коэффициента передачи по напряжению, изменяют по гармоническому закону модуляции. 2 ил.

Изобретение относится к области радиотехнических измерений и может быть использовано при аттестации образцовых средств измерений.

Известен способ калибровки измерителя коэффициента амплитудной модуляции [Ремез Г. А. Радиоизмерения. Связь. M. 1966, с.297.], основанный на задании коэффициента амплитудной модуляции путем фильтрации и измерения амплитуды колебаний одной из боковых частот (+ или -) к амплитуде колебаний несущей частоты с последующим вычислением удвоенного отношения уровня боковой частоты к уровню несущей частоты и предполагающий формирование амплитудно-модулированного (AM) колебания гармоническим воздействием управляющим сигналом на элемент схемы, определяющий амплитуду колебания, с последующей фильтрацией выходного сигнала.

Существенным недостатком этого способа является необходимость осуществления фильтрации на этапе формирования AM колебания и на этапе измерения амплитуд колебаний боковой частоты и несущей частоты. Серьезным следствием этого недостатка является обеспечение неточного значения заданного коэффициента амплитудной модуляции, особенно в области низких несущих частот (в диапазоне несущих частот 20 Гц-20 кГц калибраторы модулированных сигналов промышленностью вообще не выпускаются).

Известен способ калибровки измерителя коэффициента амплитудной модуляции [Минц М.Я., Чинков В.Н., Сидоренко Н.Ф., Остроумов Б.В. Прецизионные методы и средства формирования модулированных сигналов. Харьков - 1989, с.30-31], основанный на дискретном изменении длительности формируемых прямоугольных импульсов по определенному закону, из которых путем фильтрации выделяются гармоники, соответствующие гармоническому закону модуляции.

Существенным недостатком этого способа также является необходимость фильтрации гармоник, подвергающихся амплитудной модуляции по гармоническому закону, а высокоточная фильтрация в области низких частот затруднена, т.к. в диапазоне несущих частот 20 Гц-20 кГц частота модулирующих колебаний составляет соответственно 1 Гц-1 кГц, а частота боковых частотных компонентов модуляционного спектра, которые используются в процессе калибровки, составляет (20±1) Гц; 2(20±1) Гц; 3(20±1) Гц;...n(20±1) Гц - (20±1) кГц; 2(20±1) кГц;.. .n(20±1) кГц. Именно этим объясняется отсутствие промышленных образцов калибраторов AM колебаний в этом диапазоне, т.к. нестабильность частоты несущих и модулирующих колебаний изменяет значения боковых частот относительно частот настройки фильтров, используемых для выделения гармоник, и вызывает нестабильность уровней последних.

Известен способ калибровки измерителя коэффициента амплитудной модуляции [Авторское свидетельство 1656477, МКИ 5 G 01 R 29/06, БИ 22, 1991], заключающийся в том, что сигнал с известным коэффициентом М амплитудой модуляции формируют путем суммирования мощностей двух высокочастотных сигналов - несущей и одной из боковых частот с последующим детектированием.

Существенным недостатком этого способа является низкая точность формирования амплитудно-модулированных сигналов из-за нарушения закона изменения огибающей амплитудно-модулированного колебания, обусловленного суммированием колебаний несущей частоты и одной из боковых частот. Действительно, для обеспечения гармонического закона изменения огибающей требуется суммирование колебаний несущей частоты и колебаний двух боковых частот: где U_mM - амплитуда модулирующих колебаний; U_mH - амплитуда колебаний несущей частоты; М - коэффициент амплитудной модуляции; ω_H - несущая частота; Ω - модулирующая частота; ω_H+Ω и ω_H-Ω - соответственно верхняя и нижняя боковые частоты.

Поведение огибающей AM колебания при суммировании колебаний несущей частоты и одной из боковых частот U(t) = U_mHsin(ω_Ht+ϕ₀)+αU_mHsin[(ω_H±Ω)t+ψ] (2) определяется поведением замыкающего вектора при суммировании вращающихся с угловыми скоростями ω_H и ω_H+Ω или ω_H и ω_H-Ω векторов, амплитуды которых соответственно равны U_mН и αU_mH, где α<1.

что свидетельствует об отклонении закона изменения огибающей AM колебания от идеального, реализуемого при суммировании колебаний несущей частоты ω_H и колебаний равных амплитуд боковых частот ω_H+Ω и ω_H-Ω.

Из-за воздействия дестабилизирующих факторов на параметры суммируемых колебаний их значения будут изменяться во времени, а потому в выражении (3) величины U_mН, α и Ω сами являются функциями времени. Поэтому утверждение о возможности формировать сигнал с известным коэффициентом М амплитудной модуляции не соответствует действительности из-за нестабильности вида функции U_mAM(t), описываемой выражением (3).

Кроме того, этому способу свойственен еще один недостаток, обусловленный независимостью поведения во времени колебаний модулирующей F_М и несущей F_Н частот, а генераторы этих колебаний подвержены воздействию дестабилизирующих факторов.

Изменение амплитуд U_mМ и U_mН и частот F_М и f_Н во времени имеет следствием изменения величины задаваемого коэффициента амплитудной модуляции М. Действительно, из выражения для амплитудно-модулированного колебания

где U_mН, U_mM и - соответственно амплитуды и круговые частоты несущего и модулирующего колебания, следует, что при его формировании из несинхронизированных колебаний несущей f_Н=1/T_Н и модулирующей F_М= 1/Т_М частот нарушение постоянства параметров выходного эффекта обусловлено нестабильностями амплитуд

и частот

При этом нестабильность амплитуд ΔU_mН и U_mМ имеет следствием нестабильность коэффициента модуляции
,
а нестабильность боковых частот имеет следствием угловую (частотную или фазовую) модуляцию колебаний этих частот с расщеплением спектра, соответствующим малому индексу угловой модуляции [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Советское радио. 1963, стр.92, 96] или малому коэффициенту эквивалентной паразитной амплитудной модуляции.

Для оценки порядка величин, обусловленных паразитной амплитудной модуляцией, воспользуемся тем, что при малых значениях индекса частотной модуляции

где К_ЧМ - коэффициент преобразования частотного модулятора (который U_mМ преобразует в Δω), структура амплитудного спектра подобна его структуре для AM колебания. Поэтому для эквивалентного коэффициента паразитной амплитудной модуляции имеем

Таким образом, изменение отношения во времени из-за несинхронности работы генераторов колебаний несущей и модулирующей частот является причиной низкой точности амплитудных модуляторов и требует либо синхронизации работы названных генераторов, что при кратности частот является сложной задачей, либо формирования AM колебаний из колебаний несущей частоты.

Названный эффект создает наибольшую погрешность в области низших значений несущей частоты (f_H ≅ 10 Гц, для которых значение модулирующей частоты составляет F_M ≅ (0,1-1)Гц.
Установление параметров AM колебаний завершится [Харкевич А.А. Спектры и анализ. М. ГИФМЛ, 1962, с. 26-30] при этом за интервал времени

т. е. в течение 1-15 часов, а в течение таких интервалов проявляется в полной мере действие долговременных дестабилизирующих факторов, а потому

подвергнется наибольшим изменениям, что не позволит реализовать высокоточные значения коэффициента М амплитудной модуляции.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение точности формирования амплитудно-модулированных сигналов за счет уменьшения влияния нестабильности амплитуды и частоты модулирующего колебания на величину коэффициента амплитудной модуляции.

Задача, на решение которой направлено техническое решение, достигается тем, что способ формирования образцовых AM сигналов, заключающийся в гармоническом воздействии с частотой модуляции F_m на элемент устройства для формирования AM колебаний, определяющий амплитуду колебания несущей частоты f_н, с последующим измерением максимального и минимального значений AM сигнала и вычислением по ним коэффициента модуляции, из гармонических колебаний несущей частоты f_н формируют последовательности прямоугольных импульсов удвоенной частоты 2f_н, которые управляют коммутатором, переключающим резисторы масштабного преобразователя, отношение которых, определяющее в моменты прохождения нулевых значений колебаниями несущей частоты f_н величину его коэффициента передачи по напряжению, изменяют по гармоническому закону модуляции.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для формирования амплитудно-модулированных колебаний.

Устройство содержит:
1 - генератор гармонических колебаний несущей частоты;
2 - формирователь, преобразующий колебания несущей частоты _н в последовательности прямоугольных импульсов удвоенной частоты 2f_н;
3 - масштабный преобразователь на основе операционного усилителя, переключением резисторов в цепи обратной связи которого обеспечивается изменение коэффициента передачи;
4 - электронный коммутатор, управляемый выходными импульсами формирователя 2 и обеспечивающий переключение резисторов масштабного преобразователя 3;
5 - электронный осциллограф, синхронизация развертки которого осуществляется выходными импульсами коммутатора 4 с частотой модуляции.

Выходные напряжения генератора 1, формирователя 2 и масштабного преобразователя 3 в виде временных диаграмм для контрольных точек а, б и в структурной схемы приведены на фиг.2 (а, б и в соответственно).

Изложенное в связи с поставленной целью, а также в связи с предполагаемыми функциями конкретных измерительно-преобразовательных устройств структурной схемы позволяет сделать вывод о том, что сокращение измерительно-преобразовательных процедур для достижения цели имеет основание для утверждения о повышении точности.

Способ осуществляют следующим образом: производят оценку изменений коэффициента амплитудной модуляции вследствие нестабильности частоты колебаний несущей частоты.

В известных формирователях амплитудно-модулированных колебаний нестабильность частоты боковых колебаний сопровождается паразитной амплитудной модуляцией с коэффициентом паразитной модуляции
.

В диапазоне высоких частот для уменьшения m_П достаточно выбрать

и обеспечить

Действительно, в этом случае

а потому
.

В диапазоне низких и инфранизких частот из-за значительной временной протяженности процесса установления колебаний формирователя амплитудно-модулированных колебаний нестабильность частоты несущих колебаний проявляется как долговременная нестабильность и имеет величину на порядок большую, чем кратковременная нестабильность частоты для области высоких частот, а потому генератор колебаний несущей частоты должен обладать нестабильностью
В связи с тем, что формирование амплитудно-модулированных колебаний в этом диапазоне предлагается производить коммутируемым масштабным преобразователем, работающим в режиме деления частоты несущих колебаний, нестабильность частоты модулирующих колебаний
.

Кроме того, диапазон отношения в области низких и инфранизких частот сжат до уровня Поэтому в диапазоне низких и инфранизких частот

отсюда очевидно, что формирование амплитудно-модулированных колебаний из гармонических колебаний несущей частоты масштабным преобразователем, управляемым последовательностями импульсов, сформированных из колебаний несущей частоты, по сравнению с прототипом обеспечивает уменьшение погрешности задания коэффициента амплитудной модуляции.

Формула изобретения

Способ калибровки измерителя коэффициента амплитудной модуляции, заключающийся в гармоническом воздействии с частотой модуляции F_m на элемент устройства для формирования амплитудно-модулированных (АМ) колебаний, определяющий амплитуду колебания несущей частоты f_н, с последующим измерением максимального и минимального значений АМ сигнала и вычислением по ним коэффициента модуляции, отличающийся тем, что из гармонических колебаний несущий частоты f_н формируют последовательности прямоугольных импульсов удвоенной частоты 2 f_н, которые управляют коммутатором, переключающим резисторы масштабного преобразователя, отношение которых, определяющее в моменты прохождения нулевых значений колебаниями несущей частоты f_н величину его коэффициента передачи по напряжению, изменяют по гармоническому закону модуляции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2