Устройство передачи однополосного сигнала

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для передачи радиосигналов с помощью однополосной, а также других видов модуляции, в которых одновременно присутствует амплитудная и фазовая модуляция. Достигаемым техническим результатом является значительное уменьшение внеполосных излучений. Устройство передачи однополосного сигнала содержит источник однополосно-модулированного сигнала, два блока предварительного усиления, два усилителя видеочастоты, два блока перемножения, два фильтра видеочастот, два фазовращателя на π/2, генератор средней частоты, два выходных каскада, сумматор и генератор средней частоты передачи. 6 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для передачи радиосигналов с помощью однополосной, а также других видов модуляции, в которых одновременно присутствуют амплитудная и фазовая модуляция.

Проблема передачи однополосного сигнала в устройствах радиосвязи заключается в одновременном наличии в передаваемом сигнале амплитудной и фазовой модуляции, что приводит к выбору линейного режима работы передающего устройства, а следовательно, понижению коэффициента полезного действия (КПД) передаваемого сигнала (раздел «Однополосная модуляция» стр.369 [1]). Повышения КПД при радиопередаче достигают работой в классе D [1]. В этом случае КПД увеличивают как за счет полного использования напряжения питания анодной (коллекторной) цепи, так и за счет ключевой работы усилительного прибора. Решение вопросов повышения КПД при работе в классе D в усилителях выходных каскадов подробно рассмотрено, например, в статье [2], где показано, что для передачи изменения амплитуды можно применить широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) с фильтрацией выходного сигнала. При этом подходе обеспечивается высокий КПД усиления при радиопередаче. В сообщении [3] развиваются идеи работы оконечного каскада в классе, близком к классу D.

Известны передатчики амплитудно-модулированного (AM) сигнала, работающие в классе D, на мощность 0,5 кВт, 1 кВт и 2 кВт, данные о которых приведены в публикации фирмы Broadcast Electronics Inc [4]. Предлагаемые передатчики могут работать не только в режиме AM, но также в режиме передачи двух независимых каналов информации - режиме «стерео», когда одновременно производится передача информации с помощью амплитудной модуляции и частотной модуляции несущей. Но такие передатчики не могут быть применены для передачи однополосного сигнала, так как в режиме амплитудной модуляции не передается фазовая (частотная модуляция), а в режиме «стерео» глубина амплитудной модуляции ограничена (менее 70%) и принципиально отсутствует связь между сигналами в каналах, то есть эти режимы работают независимо. При передаче однополосного сигнала амплитудное изменение и изменение фазы радиосигнала жестко связаны, глубина AM достигает 100%, при этом амплитуда меняется от максимального значения до нуля [5].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, представленное на рис.7.11 стр.247 книги [5], принятое за прототип.

Функциональная схема устройства-прототипа представлена на фиг.1, где приняты следующие обозначения:

1 - источник однополосно-модулированного (ОМ) сигнала;

2 - усилитель видеочастоты (усилитель постоянного тока);

3 - выходной каскад;

4 - блок предварительного усиления (промежуточный каскад);

5 - антенна;

18 - ограничитель;

19 - детектор огибающей.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные ограничитель 18 и блок предварительного усиления 4, выход которого соединен со вторым входом выходного каскада 3; последовательно соединенные детектор огибающей 19 и усилитель видеочастоты 2, выход которого соединен с первым входом выходного каскада 3, выход которого соединен с антенной 5. Объединенные входы ограничителя 18 и детектора огибающей 19 соединены с выходом источника ОМ сигнала 1, вход которого является входом устройства.

Устройство-прототип работает следующим образом.

На вход источника ОМ сигнала 1 подается информация, в соответствии с которой источник ОМ сигнала 1 формирует (генерирует) радиосигнал в одной боковой полосе (ОБП-модуляция), который одновременно ограничивается в ограничителе 18 и детектируется в детекторе огибающей 19. Выходное напряжение, ограниченное по амплитуде (с постоянной амплитудой), с выхода ограничителя 18 усиливается в блоке 4 и подается на второй вход выходного каскада 3. При этом выходное напряжение детектора огибающей 19 после усиления в блоке 2 подается на первый вход выходного каскада 3. В выходном каскаде 3 одновременно производятся две операции: усиление радиосигнала с постоянной амплитудой, приходящего от блока предварительного усиления 4, и изменение его амплитуды по закону огибающей (амплитудная модуляция), которая подается от усилителя видеочастоты 2. Полученный ОБП-сигнал с выхода блока 3 подводится к антенне 5 и излучается.

Отметим некоторые методические особенности. Если несущая частота однополосного сигнала f₀, то на самой этой частоте излучение отсутствует, а присутствует излучение в одной из боковых частот:

от (f₀+F_H) до (f₀+F_B) - верхняя боковая полоса,

или от (f₀-F_B) до (f₀-F_H) - нижняя боковая полоса,

где F_H и F_B - соответственно минимальная и максимальная частоты сигнала на входе блока 1.

Если частоту измерять в радианах, то учитывая, что ω=2πf получим:

(ω₀+ Ω_H) до (ω₀+ Ω_B) - верхняя боковая полоса,

(ω₀- Ω_B) до (ω₀- Ω_H) - нижняя боковая полоса.

Обычно в диапазоне коротких волн F_H=0,3 kГц, а F_B=3,4 kГц, что соответствует полосе частот телефонного канала.

Средняя частота излучений реально будет смещена относительно несущей частоты f₀ на частоту (F_H+F_B)/2 для передачи на верхней боковой полосе или на минус (F_H+F_B)/2 для передачи на нижней боковой полосе.

Для повышения КПД передатчика (выходного каскада 3) применяют раздельное усиление огибающей высокочастотного сигнала и модулированного по фазе напряжения радиочастоты, что позволяет обеспечить предварительное усиление ограниченного по амплитуде радиосигнала с высоким КПД, а также возможность работы выходного каскада 3 с высоким КПД, например, при работе выходного каскада в классе D и осуществлении анодной (коллекторной) модуляции напряжением огибающей [1].

Однако существуют и недостатки такого подхода - это значительные внеполосные излучения, которые делают невозможной совместимую работу приемной и передающей аппаратуры в рамках одного узла связи. Для пояснения отметим, что уровень внеполосных излучений (суммы шумов и помех) u_ШД на входе приемника в полосе частот 3 кГц не должен превышать (0,1÷0,2) мкВ. Если отнести это напряжение к выходному напряжению радиопередатчика u_ПРД, которое при мощности 5 кВт составляет 500 В, то получим необходимый уровень шумов передатчика 194 дБ или плотность шумов 230 дБ/Гц.

Часть подавления обеспечивается развязкой между антеннами приемника и передатчика (15÷30) дБ, остальные (164÷179) дБ должны обеспечиваться ослаблением в передатчике, включая выходной каскад (усилитель мощности), и фильтром, стоящим на выходе усилителя мощности. Фильтры на большую мощность с подавлением до 80 дБ существуют и обеспечивают такое подавление при отстройке от средней частоты на ±(15÷20)% при полосе пропускания ±(6÷8)%. Однако эти фильтры не перестраиваются по частоте и имеют высокую стоимость. По этой причине на практике подавление внеполосных излучений передатчика при отстройках ±(15÷20)% определяется только параметрами самого передатчика и затуханием из-за территориального разноса передающей и приемной антенн. Таким образом, снижение внеполосных излучений в передающем тракте имеет большое, а часто и решающее практическое значение.

Остановимся на причинах возникновения внеполосных излучений. Сущность проблемы состоит в следующем.

Первая причина заключается в том, что хотя спектр исходного ОМ сигнала ограничен и достаточно узок, так как ограничен полосой низкочастотного сигнала, однако спектры огибающей и модулированной по фазе радиочастоты бесконечны, поэтому при формировании суммарного спектра (свертке этих спектров) составляющие спектров должны взаимно компенсироваться в той области частот, где отсутствует исходный ОМ сигнал (ОБП-сигнал).

Остановимся на этом вопросе подробнее.

Для примера, как и в [5], рассмотрим работу устройства при сигнале u(t), состоящем из двух гармонических колебаний равной амплитуды (1) или (2).

где а - амплитуда каждого из двух гармонических сигналов;

ω₀=2πf₀ - несущая круговая частота однополосного сигнала;

t - текущее время;

Ω₁=2πF₁ и Ω₂=2πF₂ - отклонение от несущей частоты первого и второго гармонических сигналов соответственно.

В нашем случае, не меняя общности, введем определения:

F_H<F₁<F_B, F_H<F₂<F_B;

F₁=F_H+ΔF, F₂=F_B-ΔF,

Частоту будем в дальнейшем называть средней частотой ω_ср.

На фиг.2 приведена зависимость напряжения от времени u(t) в соответствии с выражениями (1) и (2).

На фиг.3 приведен спектр сигнала u(t), который имеет две составляющие: δ(ω_cp+ Ω₁) и δ(ω_cp- Ω₂). Здесь δ(x) - функция Дирака.

Таким образом, изначально в сигнале присутствуют только две гармонические составляющие, а внеполосные искажения отсутствуют.

При раздельном усилении огибающей высокочастотного сигнала и модулированного по фазе напряжения радиочастоты возникают две причины внеполосных излучений: во-первых, разница задержек огибающей и колебания на средней частоте, во-вторых, искажения огибающей при ее выделении (амплитудном детектировании) и усилении.

В параграфе 7.2 книги [5] на примере ОМ сигнала, составленного из двух синусоидальных колебаний: asin(ω₀+ Ω₁)t и asin(ω₀+ Ω₂)t равной величины показано, что из-за разности в задержке огибающей и колебания на средней частоте ω_ср возникают внеполосные излучения на частотах, отстроенных от средней частоты на ( Ω₂- Ω₁)n, где n - номер гармоники частоты ( Ω₂- Ω₁), причем амплитуда спектральных составляющих убывает обратно пропорционально значению n².

Второй причиной является ошибка при выделении огибающей из радиосигнала. Вопрос о точности детектирования рассмотрен, например, в главе 8, §8.8 «Амплитудное детектирование» книги [6], где показано, что постоянная времени детектора должна быть значительно меньше, чем частота изменения низкочастотного напряжения, но, с другой стороны, должна быть предельно малой для радиочастоты. Невыполнение одновременно двух этих условий приводит к нелинейным искажениям. Вид этих искажений «подавление нуля огибающей» показан на фиг.4 жирными линиями.

Появление искажений типа «подавление нуля огибающей» обусловлено тем фактом, что спектр огибающей z(t) фиг.4 бесконечен, а полоса пропускания детектора огибающей принципиально ограничена. Это явление принципиально присутствует в детекторах огибающей любого типа. Разложение в ряд Фурье косинусоидальных импульсов известно, коэффициенты такого разложения называются коэффициентами Берга [6]. На фиг.5 показано уменьшение величины гармоники сигнала с номером n в зависимости от значения n, для нашего случая угол отсечки γ равен 90°. Как видно из графика, при разности частот 2 кГц ослабление в 80 дБ получается при отстройке 8 МГц, а ослабление в 100 дБ - при 70 МГц.

Радиочастотный сигнал с постоянной амплитудой также подвержен искажениям Фазоманипулированный сигнал постоянен по амплитуде, но скачком меняется по фазе на π, то есть имеет спектр прямоугольного импульса, в данном случае меандра. В этом случае гармоники (нечетные), убывают со скоростью , где n - номер гармоники.

Для выполнения условия изменения фазы радиочастоты на 180° в момент равенства огибающей нулю (см. фиг.2) необходимо не только иметь частотную полосу видео и радиоусилителей бесконечной ширины, что невозможно, но и добиться равенства задержек в цепях усиления радиосигнала и его огибающей. Наличие временного сдвига, а также неточное выделение огибающей по причинам, описанным выше (см. фиг.4), приведет к изменению напряжения (тока) выходного каскада скачком, то есть к появлению в составе спектра входного сигнала компоненты, убывающей обратно пропорционально отстройке. Следовательно, устройство-прототип имеет значительные внеполосные излучения, то есть работает неэффективно в части формирования сигнала на передачу.

Для устранения указанных недостатков в устройство передачи однополосного сигнала, содержащее источник однополосно-модулированного сигнала, вход которого является входом устройства, антенну, первый блок предварительного усиления и последовательно соединенные первый усилитель видеочастоты и первый выходной каскад, второй вход которого соединен с выходом первого блока предварительного усиления, согласно изобретению введены последовательно соединенные первый блок перемножения и первый фильтр видеочастот, последовательно соединенные второй блок перемножения, второй фильтр видеочастот, второй усилитель видеочастоты, второй выходной каскад и сумматор, последовательно соединенные генератор средней частоты и первый фазовращатель на π/2, последовательно соединенные генератор средней частоты радиопередачи, второй фазовращатель на π/2 и второй блок предварительного усиления, при этом выход источника однополосно-модулированного сигнала соединен с первым входом первого блока перемножения, второй вход которого соединен с выходом генератора средней частоты, кроме того, выход источника однополосно-модулированного сигнала соединен с первым входом второго блока перемножения, второй вход которого соединен с выходом первого фазовращателя на π/2, выход первого фильтра видеочастот соединен с входом первого усилителя видеочастоты, выход генератора средней частоты радиопередачи соединен с входом первого блока предварительного усиления, выход второго блока предварительного усиления соединен со вторым входом второго выходного каскада, выход первого выходного каскада соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с антенной; причем в первом и втором выходных каскадах осуществляют одновременно усиление на средней частоте радиопередачи сигналов, приходящих от соответствующих первого и второго блоков предварительного усиления, и изменение их амплитуды в соответствии с изменениями напряжений, подаваемых от первого и второго усилителей видеочастоты.

Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.6, где приняты следующие обозначения:

1 - источник ОМ сигнала;

2 и 12 - первый и второй усилители видеочастоты;

3 и 13 - первый и второй выходные каскады;

4 и 16 - первый и второй блоки предварительного усиления;

5 - антенна;

6 - генератор средней частоты;

7 - генератор средней частоты радиопередачи;

8 и 10 - первый и второй блоки перемножения;

9 и 11 - первый и второй фильтры видеочастот;

14 и 15 - первый и второй фазовращатели на π/2;

17 - сумматор.

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные первый блок перемножения 8, первый фильтр видеочастот 9, первый усилитель видеочастоты 2 и первый выходной каскад 3, выход которого соединен с первым входом сумматора 17; последовательно соединенные второй блок перемножения 10, второй фильтр видеочастот 11, второй усилитель видеочастоты 12 и второй выходной каскад 13, выход которого соединен со вторым входом сумматора 17, выход которого соединен с антенной 5. Входом устройства является вход источника ОМ сигнала 1, выход которого соединен с первыми входами первого 8 и второго 10 блоков перемножения. Выход генератора средней частоты 6 соединен со вторым входом первого блока перемножения 8, а через первый фазовращатель на π/2 14 - со вторым входом второго блока перемножения 10. Выход генератора средней частоты радиопередачи 7 через первый блок предварительного усиления 4 соединен со вторым входом первого выходного каскада 3, а через последовательно соединенные второй фазовращатель на π/2 15 и второй блок предварительного усиления 16 - со вторым входом второго выходного каскада 13.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

На вход устройства подается информация, в соответствии с которой источник ОМ сигнала 1 формирует радиосигнал с ОБП-модуляцией со средней радиочастотой ω_СР. Сигнал с выхода источника ОМ сигнала 1 подается одновременно на первые входы первого 8 и второго 10 блоков перемножения.

Блок 6 выдает гармоническое напряжение средней радиочастоты

Так как Ω_Н=2πF_Н и Ω_В=2πF_В, где F_H и F_B - соответственно минимальная и максимальная частоты сигнала на входе устройства, получим:

В результате перемножения в блоке 8 ОБП-сигнала с гармоническим напряжением средней радиочастоты ω_ср и последующей фильтрации в первом фильтре видеочастот 9 выделяется составляющая видеочастоты, которая является синфазной составляющей ОБП-сигнала относительно гармонического колебания со средней радиочастотой, а в результате перемножения в блоке 10 ОБП-сигнала с выходным гармоническим напряжением средней радиочастоты ω_СР, измененном по фазе на π/2 в блоке 14, и последующей фильтрации во втором фильтре видеочастот 11 выделяется другая составляющая видеочастоты, которая является квадратурной составляющей ОБП-сигнала относительно гармонического колебания со средней радиочастотой. При этом полосы пропускания первого 9 и второго 11 фильтров видеочастот (нижних частот) должны обеспечивать прохождение видеосигнала, но подавлять радиочастотный сигнал.

Синфазная составляющая видеочастотного сигнала с выхода первого фильтра видеочастот 9 усиливается в первом усилителе видеочастоты 2 и подается на первый вход первого выходного каскада 3, на второй вход которого подается сигнал на средней частоте радиопередачи ω_ср.пер с блока 7, усиленный по напряжению в блоке 4. В первом выходном каскаде 3 одновременно производятся две операции: усиление по мощности сигнала на средней частоте радиопередачи с постоянной амплитудой, приходящего от первого блока предварительного усиления 4, и изменение его амплитуды в соответствии с изменением напряжения, подаваемого от первого усилителя видеочастоты 2. Полученная синфазная составляющая ОБП-сигнала с выхода блока 3 подается на первый вход сумматора 17.

Квадратурная составляющая видеочастотного сигнала с выхода второго фильтра видеочастот 11 усиливается во втором усилителе видеочастоты 12 и подается на первый вход второго выходного каскада 13, на второй вход которого подается сигнал на средней частоте радиопередачи ω_ср.пер с блока 7, прошедший через второй фазовращатель на π/2 15 и усиленный по напряжению во втором блоке предварительного усиления 16. Во втором выходном каскаде 13 одновременно производятся две операции: усиление по мощности сигнала на средней частоте радиопередачи с постоянной амплитудой, приходящего от второго блока предварительного усиления 16, и изменение его амплитуды в соответствии с изменением напряжения, подаваемого от второго усилителя видеочастоты 12. Полученная квадратурная составляющая ОБП-сигнала с выхода блока 13 подается на второй вход блока 17, где осуществляется суммирование сигналов, пришедших от первого 3 и второго 13 выходных каскадов (векторное сложение), фазы которых отличаются на 90°. Полученный ОБП-сигнал с выхода сумматора 17 подается на антенну 5.

Покажем эффективность работы предлагаемого устройства. Для количественной оценки рассмотрим тот же случай: передачу двух синусоидальных колебаний asin(ω₀+ Ω₁)t и sin(ω₀+ Ω₂)t равной величины [5].

Рассмотрим случай равных частот для генераторов 6 и 7, так как на результаты рассмотрения такое предположение не влияет. В частном случае, источник ОМ сигнала 1 может формировать сигнал на средней частоте радиопередачи, тогда блоки 6 и 7 должны быть одинаковыми, что позволяет совместить их в одном блоке. Однако в общем случае средняя радиочастота и средняя частота радиопередачи отличаются.

Как показано выше, сумму двух колебаний можно представить в виде (2), то есть как произведение:

где а - амплитуда каждого из двух гармонических сигналов;

ω₀=2πf₀ - несущая круговая частота однополосного сигнала;

t - текущее время;

Ω₁=2πF₁ и Ω₂=2πF₂ - отклонение от несущей частоты первого и второго гармонических сигналов соответственно;

- средняя радиочастота ω_ср.

Допустим для определенности, что Ω₁= Ω_H, а Ω₂= Ω_В (это не снижает общность рассмотрения).

Из формулы (3) видно, что оба сомножителя представляют собой гармонические колебания, не имеющие разрывов в производных, спектр каждого колебания не бесконечен, а ограничен. В данном случае взаимный сдвиг по времени сомножителей в отличие от прототипа не меняет спектр выходного сигнала. Действительно, если сдвиг на угол ξ произойдет на рабочей частоте, то формулу (3) можно представит в виде:

Далее, из формулы (4) можно получить u(t) в виде двух колебаний:

Таким образом, произойдет сдвиг по фазе обоих гармонических составляющих, а спектр (энергетический спектр) их останется без изменения.

Как видно из формулы (5), отмеченная выше первая причина внеполосных излучений - взаимный сдвиг в задержке огибающей и колебания на рабочей частоте - на гармонический состав (спектр) не влияет, вторая же причина - искажение огибающей при ее выделении (амплитудном детектировании) и усилении - также не имеет места, потому что синфазная видеочастотная (низкочастотная) составляющая и квадратурная видеочастотная (низкочастотная) составляющая имеют ограниченный спектр. По этой причине и суммарный спектр на выходе блока 17 тоже ограничен по частоте.

Схемы выходных каскадов с двумя входами и одним выходом, выполняющие вышеуказанные функции, широко известны в научно-технической литературе, например в книгах [5] и [7]. Применение перемножителей для выделения видеочастотной (низкочастотной) составляющих также широко известно, например, в книгах [8] и [9].

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет значительно уменьшить внеполосные излучения однополосного сигнала при работе радиопередатчиков в режимах, подобных классу D с высоким КПД, то есть работает эффективно.

Источники информации

1. «Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет» Под ред. Валитова Р.А., Попова И.А. М., «Советское радио», 1973 г, стр 454.

2. Eric Gaalaas. Class D Audio Amplifiers: What, Why, and How. Analog Dialogue J. http://www.analog.com/library/analog Dialogue/archives/40-06/class_d.html.

3. David W. Cripe, Improving the efficiency and reliability of AM broadcast transmitters through class-E power. http://www.bdcast.com/papers/amclasse.pdf.

4. AM-500A 500 WATT AM-1A 1 KILOWATT AM BROADCAST TRANSMITTERS IM No. 597-1112, October, 1999 [e-mail] размещен на сайте: http://www.bdcast.com/fgal/prod_manual/AM500_1A_noschem_BCEPML. pdf Broadcast Electronics Inc. 4100 North 24th Street Quincy, IL 62305 Main telephone: [phone] Main fax: [phone] Webmaster e-mail.

5. Верзунов М.В. «Однополосная модуляция в радиосвязи», М., Воениздат, 1972 г., стр. 246-257.

6. Гоноровский И.С. «Радиотехнические цепи и сигналы» Учебник для вузов, Изд. 3-е, М., «Сов. Радио», 1977 г.

7. Левичев В.Г. «Радиопередающие и радиоприемные устройства», Изд. 3-е, М., Воениздат, 1974 г., стр. 4.

8. Диксон Р.К. «Широкополосные системы» Пер. с англ./ Под ред. В.И.Журавлева. - М., Связь, 1979 г.

9. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е., Мухин Н.П., Шестопалов В.И. «Помехоустойчивость систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты» - М., Радио и связь, 2000 г.

Устройство передачи однополосного сигнала, содержащее источник однополосно-модулированного сигнала, вход которого является входом устройства, антенну, первый блок предварительного усиления и последовательно соединенные первый усилитель видеочастоты и первый выходной каскад, второй вход которого соединен с выходом первого блока предварительного усиления, отличающееся тем, что введены последовательно соединенные первый блок перемножения и первый фильтр видеочастот, последовательно соединенные второй блок перемножения, второй фильтр видеочастот, второй усилитель видеочастоты, второй выходной каскад и сумматор, последовательно соединенные генератор средней частоты и первый фазовращатель на π/2, последовательно соединенные генератор средней частоты радиопередачи, второй фазовращатель на π/2 и второй блок предварительного усиления, при этом выход источника однополосно-модулированного сигнала соединен с первым входом первого блока перемножения, второй вход которого соединен с выходом генератора средней частоты, кроме того, выход источника однополосно-модулированного сигнала соединен с первым входом второго блока перемножения, второй вход которого соединен с выходом первого фазовращатели на π/2, выход первого фильтра видеочастот соединен с входом первого усилителя видеочастоты, выход генератора средней частоты радиопередачи соединен с входом первого блока предварительного усиления, выход второго блока предварительного усиления соединен со вторым входом второго выходного каскада, выход первого выходного каскада соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с антенной, причем в первом и втором выходных каскадах осуществляют одновременно усиление на средней частоте радиопередачи сигналов, приходящих от соответствующих первого и второго блоков предварительного усиления, и изменение их амплитуды в соответствии с изменениями напряжений, подаваемых от первого и второго усилителей видеочастоты.