способ демодуляции амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов и устройство его реализации

Формула изобретения

1. Способ демодуляции амплитудно-модулированных сигналов, состоящий в том, что амплитудно-модулированный сигнал подают на демодулятор, выполненный из каскадно-соединенных четырехполюсника, двухполюсного нелинейного элемента, фильтра нижних частот, последовательно включенной разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, выполняющий операции разложения спектра амплитудно-модулированного сигнала на высокочастотные и низкочастотные составляющие, выделение низкочастотной составляющей и устранение постоянной составляющей, отличающийся тем, что нелинейный элемент включают между четырехполюсником и введенной высокочастотной нагрузкой в поперечную цепь, к высокочастотной нагрузке подключают фильтр нижних частот, четырехполюсник выполняют из числа реактивных двухполюсников, не меньшего двух, значения параметров которых выбирают из условия обеспечения требуемого значения глубины амплитудной модуляции принятого амплитудно-модулированного сигнала на высокочастотной нагрузке путем использования следующих математических выражений:



где





m, m_вх, m₂₁ - заданные отношения модулей коэффициента передачи высокочастотной части демодулятора, входного сигнала и сигнала на высокочастотной нагрузке в двух состояниях входного сигнала, характеризуемых двумя крайними значениями амплитуды амплитудно-модулированного сигнала; M ₂₁ - глубина модуляции амплитудно-модулированного сигнала на высокочастотной нагрузке; y_1,2=g_1,2+jb _1,2 - заданные значения проводимостей управляемого двухполюсного элемента в двух состояниях (1 и 2), определяемых двумя крайними значениями амплитуды амплитудно-модулированного сигнала; z _H=r_H+jx_H, z₀=r₀ +jx_o - заданные комплексные сопротивления нагрузки и источника сигнала; x₁₁, x₂₁, x₂₂ - значения элементов матрицы сопротивлений четырехполюсника, оптимальные по критерию обеспечения заданной глубины модуляции амплитудно-модулированного сигнала на высокочастотной нагрузке.

2. Устройство демодуляции амплитудно-модулированных сигналов, состоящее из каскадно-соединенных четырехполюсника, двухполюсного нелинейного элемента, фильтра нижних частот, последовательно включенной разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, отличающееся тем, что между нелинейным элементом и фильтром нижних частот включена высокочастотная нагрузка, нелинейный элемент включен между четырехполюсником и высокочастотной нагрузкой в поперечную цепь, реактивный четырехполюсник выполнен из каскадно-соединенных двух Г-образных звеньев, реактивные сопротивления двухполюсников x₁, x₂, x₄=х₃, составляющих каскадно-соединенные два Г-образных звена, выбраны с помощью следующих математических выражений:







m, m_вх, m₂₁ - заданные отношения модулей коэффициента передачи высокочастотной части демодулятора, входного сигнала и сигнала на высокочастотной нагрузке в двух состояниях входного сигнала, характеризуемых двумя крайними значениями амплитуды амплитудно-модулированного сигнала; M ₂₁ - глубина модуляции амплитудно-модулированного сигнала на высокочастотной нагрузке; y_1,2=g_1,2+jb _1,2 - заданные значения проводимостей управляемого двухполюсного элемента в двух состояниях (1 и 2), определяемых двумя крайними значениями амплитуды амплитудно-модулированного сигнала; z _H=r_H+jx_H, z_o=r_o +jx_o - заданные комплексные сопротивления нагрузки и источника сигнала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано для демодуляции амплитудно-манипулированных и амплитудно-модулированных сигналов.

Все известные способы и устройства 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 способ 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 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.

Указанный недостаток связан с тем, что в традиционной теории радиотехнических цепей указанный выше четырехполюсник не оптимизируется по критерию обеспечения заданной глубины амплитудной модуляции принятого 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 заданной глубины амплитудной модуляции принятого амплитудно-модулированного сигнала, что повышает помехоустойчивость. 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 из подачи амплитудно-модулированного сигнала на демодулятор из каскадно-соединенных четырехполюсника, двухполюсного нелинейного элемента, фильтра нижних частот, последовательно включенной разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, выполняющий операции разложения спектра амплитудно-модулированного сигнала на высокочастотные и низкочастотные составляющие, выделение низкочастотной составляющей и устранение постоянной составляющей, дополнительно нелинейный элемент включают между четырехполюсником и введенной высокочастотной нагрузкой в поперечную цепь, к высокочастотной нагрузке подключают фильтр нижних частот, четырехполюсник выполняют из числа реактивных двухполюсников, не меньшего двух, значения параметров которых выбирают из условия обеспечения требуемого значения глубины амплитудной модуляции принятого амплитудно-модулированного сигнала на высокочастотной нагрузке путем использования следующих математических выражений:

m, m_вx, m₂₁ - заданные отношения модулей коэффициента передачи высокочастотной части демодулятора, входного сигнала и сигнала на высокочастотной нагрузке в двух состояниях входного сигнала, характеризуемых двумя крайними значениями амплитуды амплитудно-модулированного сигнала; М₂₁ - глубина модуляции амплитудно-модулированного сигнала на высокочастотной нагрузке; y_1,2=g_1,2 +jb_1,2 - заданные значения проводимостей управляемого двухполюсного элемента в двух состояниях (1 и 2), определяемых двумя крайними значениями амплитуды амплитудно-модулированного сигнала; z_H=r_H+jx_H, z_o =r_o+jx_o - заданные комплексные сопротивления нагрузки и источника сигнала; х₁₁, х₂₁, х₂₂ - значения элементов матрицы сопротивлений четырехполюсника, оптимальные по критерию обеспечения заданной глубины модуляции амплитудно-модулированного сигнала на высокочастотной нагрузке.

2. Указанный результат достигается тем, что в устройстве демодуляции амплитудно-модулированных сигналов состоящем из каскадно-соединенных четырехполюсника, двухполюсного нелинейного элемента, фильтра нижних частот, последовательно включенной разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, дополнительно между нелинейным элементом и фильтром нижних частот включена высокочастотная нагрузка, нелинейный элемент включен между четырехполюсником и высокочастотной нагрузкой в поперечную цепь, реактивный четырехполюсник выполнен из каскадно-соединенных двух Г-образных звеньев, реактивные сопротивления двухполюсников х₁, х₂, x₄=х₃, составляющих каскадно-соединенные два Г-образных звена, выбраны с помощью следующих математических выражений:

m, m_вх, m₂₁ - заданные отношения модулей коэффициента передачи высокочастотной части демодулятора, входного сигнала и сигнала на высокочастотной нагрузке в двух состояниях входного сигнала, характеризуемых двумя крайними значениями амплитуды амплитудно-модулированного сигнала; М₂₁ - глубина модуляции амплитудно-модулированного сигнала на высокочастотной нагрузке; y_1,2=g_1,2 +jb_1,2 - заданные значения проводимостей управляемого двухполюсного элемента в двух состояниях (1 и 2), определяемых двумя крайними значениями амплитуды амплитудно-модулированного сигнала; z_н=r_н+jx_н, z₀ =r₀+jx₀ - заданные комплексные сопротивления нагрузки и источника сигнала.

На фиг.1 показана схема устройства демодуляции амплитуды радиочастотных сигналов (прототип).

На фиг.2 показана структурная схема предлагаемого устройства по п.2.

На фиг.3 приведена схема четырехполюсника, входящая в предлагаемое устройство.

Устройство-прототип содержит источник 1 амплитудно-модулированных сигналов, четырехполюсник 2, нелинейный элемент 3, фильтр нижних частот 4 на элементах R, C, разделительная емкость 5 на элементе С_р и низкочастотную нагрузку 6 на элементах R _н, С_н.

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 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 устройства демодуляции 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.

Высокочастотная часть структурной схемы обобщенного предлагаемого устройства по п.1 (фиг.2) состоит из каскадно-соединенных источника сигнала 1, реактивного четырехполюсника 2, двухполюсного нелинейного элемента 3, включенного между четырехполюсником и высокочастотной нагрузкой в поперечную цепь (параллельно), и высокочастотной нагрузки 7. Низкочастотная часть структурной схемы содержит ФНЧ 4, разделительную емкость 5 и низкочастотную нагрузку 6.

Принцип действия данного устройства состоит в том, что при подаче АМС от источника 1 с сопротивлением z₀ в результате дополнительного введения высокочастотной нагрузки 7 между нелинейным элементом и фильтром нижних частот, включения нелинейного элемента между четырехполюсником и высокочастотной нагрузкой в поперечную цепь и специального выбора значений параметров классической матрицы передачи четырехполюсника 2 из условий обеспечения заданной глубины амплитудной модуляции 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. При непрерывном изменении амплитуды амплитудно-модулированного сигнала будет реализована демодуляция входного сигнала. Четырехполюсник выполнен в виде каскадно-соединенных двух Г-образных звеньев. Значения сопротивлений двухполюсников этих звеньев x₁ (8), x₂(9), x₃(10), x₄(11) выбраны из условия обеспечения заданной глубины амплитудной модуляции АМС на высокочастотной нагрузке независимо от ее значения во входном АМС.

Докажем возможность реализации указанных свойств.

Пусть на вход демодулятора воздействует амплитудно-модулированное колебание U_AM(t)=U_н [1+m_a cos( t)]cos( _нt+ _о), где U_н, _н - амплитуда и частота несущего высокочастотного колебания; m_а - глубина амплитудной модуляции; _о - начальная фаза; - частота первичного информационного низкочастотного сигнала. Входной модулированный высокочастотный сигнал S_вx и преобразованный с помощью демодулятора высокочастотный сигнал (до фильтра нижних частот) S_вых связаны между собой следующим образом: S_вых=S₂₁S_вх , где под входным и выходным сигналом подразумевается входное и выходное напряжения; S₂₁ - коэффициент передачи.

Рассмотрим амплитудно-модулированные колебания в двух состояниях, характеризуемых крайними значениями диапазона изменения амплитуды.

Запишем указанные физические величины в двух состояниях в комплексной форме Таким образом на выходе высокочастотной части демодулятора модули коэффициента передачи и входного сигнала перемножаются, а их фазы складываются. Выходные напряжения в двух состояниях связаны между собой следующим образом:

где - отношения модулей коэффициента передачи высокочастотной части демодулятора и входного сигнала в двух состояниях входного сигнала;

- разности фаз коэффициента передачи высокочастотной части демодулятора и входного сигнала в двух состояниях входного сигнала. Фаза входного АМС постоянна, поэтому разность фаз _вx=0. Для уменьшения искажений необходимо ₂₁=0.

Введем обозначения: m ₂₁=mm_вх. Отношения модулей коэффициента передачи высокочастотной части демодулятора т и входного сигнала m _вх, а также отношения модулей коэффициента передачи высокочастотной части демодулятора и сигнала на высокочастотной нагрузке m ₂₁ связаны с глубиной амплитудной модуляции следующим образом:

где М₂₁, М_вх, М - соответствующие значения глубины амплитудной модуляции.

Пусть комплексные сопротивления нагрузки z_н =r_н+jx_н, источника сигнала z_о =r_о+jx_о, а также проводимости двухполюсного нелинейного элемента у_1,2=g_1,2+jb_1,2 в двух состояниях, определяемых крайними значениями амплитуды входного АМС, известны.

С учетом условия взаимности (x₁₂=-x₂₁) СФУ может характеризоваться матрицей сопротивления

и соответствующей классической матрицей передачи:

где |х|=-х₁₁x₂₂-x ₂₁ ² - определитель матрицы (2).

Нелинейный элемент в первом и втором состояниях характеризуется следующей матрицей передачи:

Умножим матрицы (3) и (4). С учетом Z₀, Z_н найдем нормированную матрицу передачи всего устройства:

Используем известные соотношения между элементами матрицы рассеяния и элементами матрицы передачи [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971. с 39]. Выражения для коэффициентов передачи высокочастотной части демодулятора (до фильтра нижних частот) в двух состояниях нелинейного элемента будут иметь вид:

Для получения взаимосвязей между элементами матрицы сопротивлений (2), оптимальных по критерию обеспечения требуемого закона изменения амплитуды и фазы проходного сигнала, подставим (6) в (1). После разделения комплексного уравнения на действительную амплитудную части, получим систему двух уравнений:

Решение системы (7) имеет вид взаимосвязей между элементами матрицы сопротивлений СФУ:

Полученные две взаимосвязи (8) означают, что количество неуправляемых элементов должно быть не менее двух. Значения параметров этих элементов, оптимальных по критерию обеспечения требуемых значений m₂₁, ₂₁, должны удовлетворять системе двух уравнений, формируемых на основе (8). Для этого необходимо взять пробную схему СФУ, найти матрицу сопротивлений этой схемы и представить ее в виде (2). Найденные таким образом элементы х₁₁ , х₂₂, х₂₁, выраженные через параметры схемы, нужно подставить в (8) и решить сформированную систему двух уравнений относительно выбранных двух параметров. 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 Z₁, Z₂ (входить в коэффициенты D, Е, F). Условие физической реализуемости определяется необходимостью обеспечения положительного знака подкоренного выражения в (8). Из этого условия следуют ограничения на m₂₁:

В соответствии с описанным алгоритмом была синтезирована схема из двух каскадно-соединенных между собой Г-образных схем из четырех двухполюсников. Здесь же приведена матрица сопротивлений этой схемы:

Полученными результатами удобно пользоваться при анализе демодуляционных характеристик амплитудного демодулятора. При синтезе четырехполюсника необходимо положить m_вх =1.

После определения значений сопротивлений конкретная схема четырехполюсника формируется следующим образом. Если х _n>0(n=1,2,3,4 - номер двухполюсника), то это индуктивность где f - заданная частота. Если х_n<0, то это емкость Подкоренное выражение в (8) всегда положительно. Значение сопротивления х₃ выбирается произвольно или исходя из каких либо физических соображений, например из условия получения таких значений сопротивлений х₁, х₂, х ₃, определяемых по формулам (10), которые бы реализовывали значения индуктивностей и емкостей, близких к номинальным значениям, выпускаемым промышленностью.

Предлагаемые технические решения имеют изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций (формирование реактивного четырехполюсника соединенными между собой двухполюсниками из каскадно-соединенных двух Г-образных звеньев с выбором значений параметров реактивных элементов двухполюсников из условия обеспечения демодуляции входного АМС со скорректированной глубиной амплитудной модуляции при использовании нелинейного элемента, включенного между реактивным четырехполюсником и высокочастотной нагрузкой в поперечную цепь (параллельно), причем к высокочастотной нагрузке подключены фильтр нижних частот, разделительная емкость и низкочастотная нагрузка) приводит к заданному увеличению глубины модуляции принятого АМС.

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 в виде каскадно-соединенных двух Г-образных звеньев. Значения параметров индуктивностей и емкостей однозначно могут быть определены с помощью математических выражений, приведенных в формуле изобретения.

Технико-экономическая эффективность предложенных устройств заключается в обеспечении заданной глубины амплитудной модуляции принятого амплитудно-модулированного сигнала, что повышает помехоустойчивость и физическую реализуемость.