передающее устройство фазоманипулированных сигналов

Формула изобретения

Передающее устройство, содержащее формирователь фазоманипулированных (ФМн) сигналов, усилитель мощности и передающую антенну, отличающееся тем, что введены последовательно соединенные вычитатель и квантователь на три уровня, последовательно соединенные датчик тока и согласующее устройство, выход которого соединен с передающей антенной, при этом второй выход датчика тока соединен с вычитающим входом вычитателя, а выход формирователя ФМн сигналов подсоединен к суммирующему входу вычитателя, кроме того, выход квантователя соединен с входом усилителя мощности, выход которого соединен с входом датчика тока, причем усилитель мощности выполнен ключевым.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиотехники и может найти применение в системах связи с фазоманипулированными (ФМн) сигналами для передачи данных по радиоканалу.

Известен радиопередатчик по патенту SU 1356227, H 04 B 1/04, авторов А.П.Жукова, А.В.Кочкина, В.В.Прилепского, 1987 г., в котором на время изменения фазы в сигнале в антенный контур вносятся дополнительные потери.

Известно передающее устройство для радиосвязи по патенту RU 2115999, H 04 B 1/04, авторы В.П.Постюшков, М.В.Постюшков, В.В.Коротич, 1998 г., в котором отраженная от нагрузки часть мощного сигнала направляется с помощью циркулятора через сумматор мощности в нагрузку.

Известно передающее устройство фазоманипулированных сигналов по патенту RU 2143780, H 04 B 1/04, авторы Безгинов И.Г., Провоторов Г.Ф., Нахмансон Г.С., Елфимов Е.И., в котором ступенчато изменяется мощность ключевого передатчика.

Известен линейный радиопередатчик по патенту RU 2121755, H 04 B 1/04, патентообладатель Моторола, Инк. (US), в котором усилитель мощности работает в линейном режиме.

Недостатком известных устройств является невысокий КПД при работе с высокодобротными электрически короткими антеннами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является линия связи дискретной информации с широкополосными сигналами по патенту RU 2165677, Н 04 L 27/32, авторов И.Г.Безгинова, В.И.Борисова, И.В.Давыдова, Т.И.Елфимовой 2001 г., принятая за прототип.

Устройство-прототип предназначено для передачи информации по линии связи с помощью ФМн сигналов.

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

I - формирователь ФМн сигналов;

1 - источник информации;

2 - широтно-импульсный модулятор (ШИМ);

3 - фазовый модулятор;

4 - генератор ФМн широкополосных сигналов (ШПС);

5 - синхронизатор передатчика;

6 - балансный модулятор;

7 - генератор несущих частот;

8 - усилитель мощности;

9 - передающая антенна;

10 - приемная антенна;

II - приемник;

11 - смеситель;

12 - гетеродин;

13 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);

14 - генератор ФМн опорного сигнала;

15 - блок корреляторов;

16 - синхронизатор приемника;

17 - демодулятор;

18 - получатель информации;

19, 24 - прямые преобразователи Фурье;

20, 23 - квадраторы;

21, 22 - обратные преобразователи Фурье.

Устройство-прототип содержит формирователь ФМн сигналов I, усилитель мощности 8, передающую антенну 9, приемную антенну 10 и приемник II. Формирователь ФМн сигналов I содержит последовательно соединенные источник информации 1, ШИМ 2, фазовый модулятор 3, балансный модулятор 6, усилитель мощности 8, выход которого соединен с передающей антенной 9. Последовательно соединенные синхронизатор 5, генератор ФМн ШПС 4, прямой преобразователь Фурье 19, квадратор 20, обратный преобразователь Фурье 21, выход которого соединен с другим входом фазового модулятора 3. Другой выход синхронизатора 5 соединен с другим входом ШИМ 2. Выход генератора несущих частот 7 соединен с другим входом балансного модулятора 6. Приемник II содержит последовательно соединенные смеситель 11, усилитель промежуточной частоты 13, блок корреляторов 15, демодулятор 17 и получатель информации 18. Один из выходов синхронизатора 16 через гетеродин 12 соединен с входом смесителя 11, другой вход которого соединен с приемной антенной 10. Другой выход синхронизатора 16 через последовательно соединенные генератор ФМ 14, прямой преобразователь Фурье 24, квадратор 23 и обратный преобразователь Фурье 22 соединен с соответствующим входом блока корреляторов 15, другой вход которого одновременно соединен с другим входом демодулятора 17 и соответствующим выходом синхронизатора 16, вход которого соединен с выходом блока корреляторов 15.

Устройство-прототип работает следующим образом.

В формирователе ФМн сигнала I производится формирование ФМн ШПС сигнала, содержащего передаваемую информацию. Аналоговая информация источника информации 1 в широтно-импульсном модуляторе 2 преобразуется в цифровую информацию, в соответствии с которой в фазовом модуляторе 3 модулируется ФМн ШПС, поступающий с выхода обратного преобразователя Фурье 21. ФМн ШПС формируется в генераторе ФМн ШПС 4, подвергается преобразованию в прямом преобразователе Фурье 19, в квадраторе 20 и в обратном преобразователе Фурье 21 для снижения уровня боковых лепестков спектра.

В балансном модуляторе 6 ФМн ШПС, модулированный информацией, переносится на несущую частоту, формируемую в генераторе несущих частот 7.

Сигнал формирователя ФМ сигнала I усиливается в усилителе мощности 8 и излучается антенной 9.

На приемной стороне сигнал принимается приемной антенной 10 и обрабатывается в приемнике II, где выделяется передаваемый сигнал.

В смесителе 11 принятый антенной 10 сигнал переносится на промежуточную частоту, усиливается в усилителе промежуточной частоты 13. В блоке корреляторов удаляется ФМн ШПС модуляция и остается ШИМ, которая демодулируется в демодуляторе 17, где и выделяется информация.

ФМн ШПС формируется в генераторе ФМн опорного сигнала 14, преобразуется в прямом преобразователе Фурье 24, в квадраторе 23 и обратном преобразователе Фурье 22.

В устройстве-прототипе информация передается с помощью ФМн сигнала, ширина спектра которого значительно превышает ширину полосы передаваемой информации. Поэтому при работе с высокодобротными, электрически короткими антеннами возникает противоречие между широкой полосой сигнала и полосой, которую может обеспечить антенна.

Входное сопротивление антенны в этом случае имеет значительную реактивную составляющую, компенсация которой реактивными элементами цепей согласования в принципе возможна, но ввиду высокой добротности антенны система получается узкополосной. Поэтому для передачи сигналов с более широкой полосой требуется расширять полосу путем снижения добротности, то есть введением дополнительных потерь в антенну или цепи согласования, что снижает КПД передающего устройства.

Недостатком устройства-прототипа является снижение КПД при работе передающего устройства с высокодобротными, электрически короткими антеннами, например, в НЧ диапазоне.

Для устранения указанного недостатка в устройство, содержащее формирователь фазоманипулированных (ФМн) сигналов, усилитель мощности и передающую антенну, согласно изобретению введены последовательно соединенные вычитатель и квантователь на три уровня, последовательно соединенные датчик тока и согласующее устройство, выход которого соединен с передающей антенной, при этом второй выход датчика тока соединен с вычитающим входом вычитателя, а выход формирователя ФМн сигналов подсоединен к суммирующему входу вычитателя, кроме того, выход квантователя соединен с входом усилителя мощности, выход которого соединен с входом датчика тока, причем усилитель мощности выполнен ключевым.

Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.2, где приняты следующие обозначения:

1 - формирователь ФМн сигналов,

2 - вычитатель,

3 - квантователь на три уровня,

4 - ключевой усилитель мощности,

5 - датчик тока,

6 - согласующее устройство,

7 - передающая антенна.

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные формирователь ФМн сигналов 1, вычитатель 2, квантователь на три уровня 3, ключевой усилитель мощности 4, датчик тока 5, согласующее устройство 6, передающую антенну 7, причем второй выход датчика тока 5 соединен с вычитающим входом вычитателя 2.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Согласующее устройство 6 совместно с антенной 7, имеющей преимущественно реактивное входное сопротивление, образует высокодобротную колебательную систему.

Так, например, при штыревой или мачтовой, электрически короткой антенне согласование может осуществляться катушкой индуктивности. В этом случае образуется одиночный колебательный контур. При более сложных схемах это может быть двухконтурная или многоконтурная цепь.

Сигнал формирователя ФМн сигналов 1 представляет собой ФМн сигнал с гармонической несущей.

В вычитателе 2 из сигнала формирователя 1 вычитается выходной сигнал датчика тока 5, пропорциональный мгновенному значению выходного тока усилителя мощности 4.

Разностный сигнал с выхода вычитателя 2 подается на вход квантователя 3. Если сигнал вычитателя 2 не превышает шага квантователя 3, то выходной сигнал квантователя 3 равен нулю. В противном случае квантователь 3 выдает сигнал фиксированной амплитуды с полярностью, определяемой полярностью сигнала вычитателя 2.

В ключевом усилителе мощности 4 при нулевом уровне сигнала на входе на выходе также нулевой сигнал. При этом выходные контакты усилителя мощности 4 для тока колебательной системы представляют собой короткозамкнутую цепь.

При отличном от нуля входном сигнале усилителя мощности 4 выходной сигнал усилителя мощности 4 имеет фиксированный уровень и полярность, определяемую полярностью входного сигнала.

Сигнал на выходе датчика тока 5 пропорционален току, протекающему через датчик тока 5.

Сигнал на выходе квантователя 3 и, соответственно, на выходе усилителя мощности 4 появляется, если мгновенное значение выходного сигнала датчика тока 5 отличается от сигнала формирователя 1 на величину, большую шага квантования квантователя 3. Таким образом, усилитель мощности 4 подает в согласующее устройство 6 не усиленный выходной сигнал формирователя 1, а квантованный на три уровня усиленный разностный сигнал между реальными колебаниями в системе и сигналом формирователя 1.

Система устойчива, так как обратная связь по току усилителя мощности 4 отрицательная. Под действием разностного сигнала система стремится к состоянию, при котором отличие выходного сигнала датчика тока 5 от сигнала формирователя 1 не больше величины шага квантования квантователя 3.

Если сигнал формирователя 1 совпадает по форме с собственными колебаниями системы «согласующее устройство 6 плюс антенна 7», то устройство работает в установившемся режиме, когда энергия расходуется только на компенсацию потерь собственных колебаний.

Если такого совпадения нет, то устройство работает в переходном режиме, осуществляя изменение фазы и амплитуды колебаний.

В одноконтурной колебательной системе, если формирователь 1 вырабатывает сигнал с постоянной фазой, то устанавливается режим с короткими импульсами на выходе усилителя мощности 4, достаточными для компенсации потерь в колебательной системе на резонансной (несущей) частоте при постоянной амплитуде.

При изменении фазы (или амплитуды) в сигнале формирователя 1 возникают значительные различия с током в согласующем устройстве 6. При этом усилитель мощности 4 выдает вначале импульсы соответствующей большей длительности, фаза колебаний в согласующем устройстве 6 постепенно изменяется и становится равной фазе сигнала формирователя 1. Длительность импульсов усилителя мощности 4 по мере уменьшения различий также уменьшается.

Время установления фазы меньше величины тактового интервала и определяется параметрами схемы.

В режиме изменения фазы колебаний через ключи усилителя мощности 4 проходят обратные токи. При соответствующих схемах источников питания происходит возвращение энергии колебаний в источники питания усилителя мощности (рекуперация).

Для иллюстрации работы предлагаемого устройства на фиг.3-9 показаны результаты моделирования на ЭВМ предлагаемого устройства и устройства-прототипа в редакторе Oread Pspice Schematics 9.2.

На фиг.3 показана схема модели предлагаемого устройства для случая электрической антенны с добротностью 63.

Конденсатор С1 и резистор R1 - эквивалент антенны.

Катушка индуктивности L1 - согласующая цепь.

Генератор ФОРМ - формирователь ФМн сигналов с гармонической несущей.

Амплитуда сигнала 1 В, тактовая частота 2500 Гц.

Элементы ДТ и КОС - датчик тока с регулируемым коэффициентом передачи (установлен коэффициент 0,8).

Элемент УМ - ключевой усилитель мощности. Амплитуда выходных импульсов 20 В.

Элемент КВАНТ - квантователь на три уровня с шагом квантования 0,2 В.

Элемент ВЫЧ - вычитатель. Знаком «-» обозначен вычитающий вход. Знаком «+» обозначен суммирующий вход.

На фиг.5 приведен график тока антенны для периодической манипуляции фазы на 180°. Тактовая частота 2500 Гц, максимальная амплитуда тока в импульсах 1А.

На фиг.6 приведены графики тока антенны и совместный график выходного напряжения и тока усилителя мощности. Из графиков видно расширение выходных импульсов усилителя мощности при смене фазы в сигнале формирователя в точке 400 мксек, постепенное их укорочение в процессе установления нового значения фазы и амплитуды колебаний в антенном контуре и работа схемы в установившемся режиме с минимальной длительностью импульсов.

На фиг.7 показаны графики сигналов на входах вычитателя, а также выходные сигналы вычитателя и усилителя мощности. Выходные импульсы усилителя мощности существуют там, где разностный выходной сигнал вычитателя превышает шаг квантования 0,2 В.

КПД моделируемого устройства, измеренный как отношение энергии, выделенной в активном сопротивлении антенны R1, к энергии, отданной усилителем мощности, на интервале 0,4-1,6 мсек (при условии, что обратный ток в усилителе мощности не возвращает энергию в источники питания), равен 0,616.

На фиг.4 показана схема модели устройства-прототипа с той же антенной.

Ток 1А обеспечивается при 5 В амплитуды выходных сигналов усилителя мощности для узкополосных сигналов. Время установления амплитуды колебаний здесь более 1,5 мсек. Поэтому, если подать в эту схему ФМн сигнал с тактовой частотой более 1000 Гц, система не успевает за время одного такта достичь полной амплитуды. В антенне получается искаженный сигнал сниженной мощности (фиг.8). Чтобы получить приемлемую форму сигнала и обеспечить ток 1А в каждом импульсе, необходимо уменьшить добротность антенного контура и увеличить амплитуду выходных сигналов усилителя мощности.

На фиг.9 показан график тока антенны при увеличенном до 40 Ом сопротивлении контура и амплитуде выходных сигналов усилителя мощности U_УМ=40 B. Форма тока примерно эквивалентна форме тока в модели предлагаемого устройства. Меньшие значения R1 и U_УМ не обеспечивают требуемого эффекта.

Здесь КПД устройства, измеренный как отношение энергии, выделенной в активном сопротивлении антенны 5 Ом, к энергии, отданной усилителем мощности, на интервале 0,4-1,6 мсек (при условии, что обратный ток в усилителе мощности не возвращает энергию в источники питания), равен 0,118.

При испытаниях экспериментальных макетов мощных передающих устройств, реализующих предлагаемое устройство, получены следующие значения КПД (отношение мощности, выделяемой в нагрузке, к мощности потребления усилителя) - с одноконтурным согласованием 0,796, с двухконтурным - 0,687.

Ввиду высокой добротности согласующего устройства 6 и антенны 7 основные потери мощности происходят в активном сопротивлении потерь в антенне 7.

Предлагаемое устройство по сравнению с устройством-прототипом обеспечивает необходимую полосу передаваемых сигналов без снижения добротности антенны или согласующих цепей и увеличивает КПД при работе с высокодобротными электрически короткими антеннами.

Предлагаемое устройство реализуется физически на базе элементов и блоков, широко известных из технической литературы.

Ключевой усилитель мощности может быть выполнен, например, по патенту RU 2117381, H 03 F 3/20, «Усилитель мощности радиопередатчика».

Датчик тока реализуется как трансформатор с малой индуктивностью первичной обмотки, по которой протекает ток усилителя мощности, или как резистор малой величины, включенный между усилителем и нагрузкой, со схемой, вырабатывающей сигнал, пропорциональный падению напряжения на резисторе.

Вычитатель реализуется на аналоговых микросхемах операционных усилителей различных серий, например К140УД1А, К153УД1А, К553УД1А и других, или на транзисторных схемах дифференциальных усилителей.

Квантователь на три уровня реализуется на микросхемах быстродействующих аналогово-цифровых преобразователей, например К1107ПВ1-К1107ПВ4 или на транзисторных схемах дифференциальных усилителей или на микросхемах операционных усилителей.

Согласующее устройство - схема, составляемая из катушек индуктивности или вариометров и конденсаторов с соответствующими электрическими параметрами.

Формирователь ФМн сигнала может быть выполнен как в устройстве-прототипе или, например, по схемам формирования сигнала в патентах RU 2025903, H 04 L 27/18, «Способ формирования фазоманипулированного сигнала и устройство для его осуществления»; RU 2033692, Н 04 В 1/00, «Приемопередающее устройство широкополосных сигналов с повышенной информационной скрытностью»; RU 2193278, Н 04 В 7/22, «Линия радиосвязи»; RU 2143780, Н 04 В 1/04, «Передающее устройство фазоманипулированных сигналов».