Содержание к диссертации
Введение
1. Основные сведения об автоматической компенсации помех фазовых и импульсно-фазовых модуляторов
1.1 Представление помех фазовых и импульсно-фазовых модуляторов как паразитной амплитудной и угловой модуляции 13
1.2 Анализ влияния паразитных приращений фазы выходных сигналов импульсно-фазовых модуляторов на паразитную угловую модуляцию синтезаторов частот с косвенной модуляцией 20
1.3 Принципы автокомпенсации паразитной амплитудной и угловой модуляции 27
1.4 Постановка задач исследования , 31
2. Разработка структурных схем устройств формирования узкополосных радиосигналов с частотной модуляцией и автокомпенсацией помех
2.1 Структурные схемы устройств формирования частотно-модулированных сигналов на базе фазовых модуляторов с автокомпенсацией паразитной амплитудной и угловой модуляции 33
2.2 Структурные схемы частотно-модулированных цифровых синтезаторов частот с двухточечной и косвенной модуляцией и автокомпенсацией паразитной угловой модуляции импульсно-фазовых модуляторов 42
2.3 Выводы 58
3. Исследование устройств автокомпенсации паразитной амплитудной и угловой модуляции фазовых модуляторов
3.1 Эквивалентные операторные схемы и передаточные функции авто компенсаторов паразитной амплитудной и угловой модуляции фазо
вых модуляторов 60
3.2 Частотные характеристики автокомпенсаторов паразитной амплитудной модуляции 68
3.3 Частотные характеристики автокомпенсатора паразитной угловой модуляции 82
3.4 Компьютерное моделирование автокомпенсации паразитной амплитудной и угловой модуляции фазовых модуляторов 90
3.5 Выводы 106
4. Исследование автокомпенсации паразитной угловой модуляции импульсно-фазовых модуляторов в цифровых синтезаторах частот с двухточечной и косвенной модуляцией
4.1 Эквивалентные схемы и передаточные функции синтезаторов для паразитных приращений фазы выходных сигналов импульсно-фазовых модуляторов 107
4.2 Частотные характеристики синтезаторов с автокомпенсацией паразитной угловой модуляции импульсно-фазовых модуляторов 117
4.3 Экспериментальная проверка расчета частотных характеристик синтезаторов с автокомпенсацией паразитной угловой модуляции импульсно-фазовых модуляторов 127
4.4 Выводы 132
Заключение 133
Литература 135
Приложение акты внедрения результатов диссертаци оннойработы
- Анализ влияния паразитных приращений фазы выходных сигналов импульсно-фазовых модуляторов на паразитную угловую модуляцию синтезаторов частот с косвенной модуляцией
- Структурные схемы частотно-модулированных цифровых синтезаторов частот с двухточечной и косвенной модуляцией и автокомпенсацией паразитной угловой модуляции импульсно-фазовых модуляторов
- Частотные характеристики автокомпенсатора паразитной угловой модуляции
- Частотные характеристики синтезаторов с автокомпенсацией паразитной угловой модуляции импульсно-фазовых модуляторов
Анализ влияния паразитных приращений фазы выходных сигналов импульсно-фазовых модуляторов на паразитную угловую модуляцию синтезаторов частот с косвенной модуляцией
Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе глава монографии (Под ред. П.А. Попова), 5 статей, 6 тезисов докладов, получено 5 свидетельств на полезные модели Российской Федерации.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 92-х наименований и приложения, изложена на 148 страницах машинописного текста, в котором приведены 71 рисунок и 4 таблицы.
Краткое содержание работы. Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, приводятся методы исследования, указаны научные результаты, выносимые на защиту, а также указана практическая реализация результатов работы. Представлены сведения об апробации работы и степени опубликования основных положений. Дается краткое содержание глав диссертации.
В первой главе рассмотрены общие вопросы построения устройств формирования узкополосных ЧМ-сигналов косвенным методом на базе фазовых модуляторов, а также вопросы построения ЧМЦСЧ с использованием импульсно-фазовых модуляторов.
Обосновывается возможность представления помех фазовых и импульсно-фазовых модуляторов как паразитной амплитудной и угловой модуляции, при этом проводится анализ влияния паразитных приращений фазы выходных сигналов импульсно-фазовых модуляторов на паразитную угловую модуляцию ЧМЦСЧ. Описаны общие принципы автоматической компенсации паразитной амплитудной и угловой модуляции в устройствах формирования ЧМ-сигналов с использованием фазовых и импульсно-фазовых модуляторов. В конце главы рассматриваются задачи, решаемые в диссертации.
Во второй главе приводятся описания разработанных структур 11 ных схем устройств формирования ЧМ-сигналов косвенным методом на базе фазовых модуляторов с автокомпенсацией паразитной амплитудной и угловой модуляции, использующих регулировку по возмущению, отклонению и комбинированную регулировку. Кроме того, приводятся описания структурных схем ЧМЦСЧ при двухточечной и косвенной модуляции, в которых предусмотрена автоматическая компенсация паразитной угловой модуляции импульсно-фазовых модуляторов с регулировкой по отклонению, причем схемы автокомпенсации построены как с использованием дополнительных детекторов, так и с использованием в качестве детекторов устройств автокомпенсации импульсно-фазовых детекторов самих синтезаторов.
В третьей главе проведено исследование компенсационных свойств предложенных схем автокомпенсаторов паразитной амплитудной и угловой модуляции фазовых модуляторов в устройствах формирования ЧМ-сигналов.
Составлены эквивалентные схемы и найдены передаточные функции автокомпенсаторов паразитной амплитудной и угловой модуляции, проанализированы их частотные характеристики при фильтрах нижних частот цепей регулировок первого, второго и третьего порядка, определены условия устойчивости при фильтрах нижних частот третьего порядка. Проведено компьютерное моделирование процесса автокомпенсации паразитной амплитудной модуляции схемами с регулировкой по возмущению, отклонению и комбинированной регулировкой, а также процесса автокомпенсации паразитной угловой модуляции схемой с регулировкой по отклонению. Проведено сравнение результатов компьютерного моделирования с теоретическими, которое показало хорошее совпадение этих результатов.
В четвертой главе проведено исследование автокомпенсации паразитной угловой модуляции в ЧМЦСЧ с двухточечной и косвенной модуляцией. Составлены эквивалентные схемы различных вариантов построения ЧМЦСЧ с автокомпенсацией паразитной угловой модуляции импульсно-фазовых модуляторов, показано, что эти эквивалентные схемы для двухточечной и косвенной модуляции совпадают. Найдены передаточные функции синтезаторов для паразитных приращений фазы выходных сигналов импульсно-фазовых модуляторов.
Проведен анализ частотных характеристик синтезаторов с автокомпенсацией паразитной угловой модуляции импульсно-фазовых модуляторов, который показал эффективность использования схем автокомпенсаторов.
Проведена экспериментальная проверка расчета частотных характеристик синтезатора с автокомпенсацией паразитной угловой модуляции импульсно-фазовых модуляторов, которая показала хорошее совпадение экспериментальных и рассчитанных результатов. В заключении изложены основные результаты диссертационной работы и рекомендации по их использованию. В приложении помещены акты внедрения результатов диссертационной работы.
Структурные схемы частотно-модулированных цифровых синтезаторов частот с двухточечной и косвенной модуляцией и автокомпенсацией паразитной угловой модуляции импульсно-фазовых модуляторов
Используя обобщенные структурные схемы автокомпенсаторов ПАМ и ПУМ узкополосных ЧМ-сигналов, построим структурные схемы фазовых модуляторов с автокомпенсацией ПАМ и ПУМ [67,68].
Воспользуемся структурной схемой фазового модулятора, изображенного на рисунке 1.1 ас управляемым фазовращателем, которая повторяет рисунок фазового модулятора из [1], предназначенного для получения косвенным методом узкополосных ЧМ-сигналов. Примем во внимание, что в самом фазовом модуляторе имеется устройство регулирования фазы несущего колебания (УФ). В этом случае, введя в схему фазового модулятора устройство регулирования амплитуды, в качестве которого можно использовать управляемый усилитель (УУ), а также применяя метод регулировки амплитуды по возмущению, а фазы по отклонению, структурную схему фазового модулятора с автокомпенсацией ПАМ и ПУМ можно представить рисунком Структурная схема фазового модулятора с автокомпенсацией ПАМ и ПУМ с регулировкой амплитуды по возмущению, а фазы по отклонению Автокомпенсатор (АК), как и на приведенных выше схемах, выделен на этой схеме отдельным блоком.
Схема, изображенная на рисунке 2.1, работает следующим образом. На выходе диапазонного возбудителя передатчика, в качестве которого используется ЦСЧ, имеется опорное гармоническое колебание, а на выходе УФ без устройства автокомпенсации имеется полезный ЧМ-сигнал с ПАМ и ПУМ. С помощью АД и ФНЧ выделяется напряжение, пропорциональное ПАМ выходного сигнала фазового модулятора в заданном частотном диапазоне. С помощью безинерционного УПТ1 устанавливается необходимый коэффициент регулирования. Таким образом, на выходе УУ имеется полезный ЧМ-сигнал со значительно ослабленной ПАМ и имеющий ПУМ. С помощью фазового детектора выделяется напряжение, пропорциональное сумме ПУМ и полезной составляющей полной фазы. С помощью УПТЗ формируется напряжение, которое по уровню полезной составляющей равно напряжению сигнала на выходе интегратора, следовательно на выходе сумматора С1 напряжение пропорционально ПУМ выходного сигнала УФ. Далее это напряжение фильтруется в необходимой области частот ФНЧ2 и усиливается УПТ2 для обеспечения заданного коэффициента регулировки. Таким образом, на выходе С2 имеется модулирующее напряжение с выхода ИНТ, а также напряжение, противофазное ПУМ выходного сигнала УФ, следовательно на выходе УФ ПУМ будет значительно ослаблена.
В том случае, если используется регулировка амплитуды, как и фазы, по отклонению, структурная схема фазового модулятора с автокомпенсацией ПАМ и ПУМ имеет вид, изображенный на рисунке 2.2.
Структурная схема фазового модулятора с автокомпенсацией ПАМ и ПУМ с регулировкой амплитуды и фазы по отклонению ны предыдущей схеме. В связи с тем, что в данной схеме осуществляется регулировка амплитуды по отклонению, она будет компенсировать не только ПАМ выходного сигнала УФ, но также и ПАМ, возникающей в УУ вследствие воздействия на него дестабилизирующих факторов. Однако в этой схеме ухудшаются условия устойчивости, особенно при использовании ФНЧ высокого порядка и больших коэффициентах регулировки.
Следует заметить, что в случае регулировки амплитуды по отклонению можно в качестве УР использовать буферный усилитель, выполнив его управляемым (рисунок 2.3).
Достоинством такой схемы по сравнению со схемой, изображенной на рисунке 2.2, является во-первых то, что в ней отсутствует отдельный блок УУ, во-вторых, что в ней будет слабее проявляться эффект АФК в самом фазовом модуляторе. Однако, выполняя буферный усилитель управляемым, мы тем самым ухудшаем развязку ЦСЧ с ФМ, нарушая оптимальный режим работы БУ.
Очевидно, комбинация схем, изображенных на рисунках 2.1 и 2.2, даст структурную схему с комбинированной регулировкой амплитуды с использованием дополнительного управляемого усилителя и регулировкой фазы по отклонению (рисунок 2.4).
Комбинация схем, изображенных на рисунках 2.1 и 2.3 дает структурную схему с комбинированной регулировкой амплитуды с использованием управляемого усилителя и буферного управляемого усилителя и регулировкой фазы по отклонению (рисунок 2.5), т.е. с тремя устройствами регулирования.
Наконец, комбинация схем, изображенных на рисунках 2.2 и 2.5 дает структурную схему (рисунок 2.6) также с тремя устройствами регулирования. Очевидно, схема, изображенная на рисунке 2.6 является наиболее обобщенной структурной схемой и включает в себя все узлы и связи, имеющиеся в предыдущих схемах.
Частотные характеристики автокомпенсатора паразитной угловой модуляции
На рисунке 3.3 а,б представлены соответственно нормированные АЧХ указанных ФНЧ в относительных единицах и децибелах, причем на этом рисунке и далее в этом параграфе сплошные линии соответствуют ФНЧ первого порядка, пунктирные - ФНЧ второго порядка с учетом влияния звеньев, точечные - ФНЧ второго порядка без учета влияния звеньев.
Как видно из этого рисунка, фильтры первого и второго порядка имеют одинаковые АЧХ в полосе прпускания, в то же время крутизна спада АЧХ за полосой пропускания у фильтров второго порядка больше, чем у фильтра первого порядка, причем крутизна спада АЧХ у двухзвенного фильтра без учета влияния звеньев выше, чем у двухзвенного фильтра с учетом влияния звеньев.
Для исследования влияния различных ФНЧ в трактах регулировки по возмущению и отклонению, а также коэффициента регулирования JV В тракте регулировки по отклонению на частотные компенсационные чвойства автокомпенсаторов ПАМ найдем нормированные ЧКХ автокомпенсаторов ПАМ для схем, изображенных ЯЗДУ( )-Л + ода,+()Д7а:. (3.40) На рисунке 3.4 а, б представлены нормированные АЧХ автокомпенсаторов ПАМ фазовых модуляторов с регулировкой по возмущению рассчитанные по (3.38) ... (3.40), соответственно в относительных единицах и децибелах.
Как видно, автокомпенсаторы ПАМ представляют из себя для паразитных амплитудных приращений выходного радиосигнала эквивалентные фильтры верхних частот (ФВЧ), причем наибольшей полосой задерживания обладают автокомпенсаторы при использовании в тракте регулировки ФНЧ первого порядка. В то же время, при использовании ФНЧ второго порядка крутизна нарастания АЧХ увеличивается, что свидетельствует о большей частотной избирательности автокомпенсаторов, однако в полосе пропускания ФВЧ имеется выброс АЧХ, особенно при использовании двухзвенного ФНЧ без учета влияния звеньев, что может привести к увеличению уровня ПАМ в полосе пропускания ФВЧ.
Кроме того, из графиков следует, что в полосе задерживания ФВЧ степень ослабления ПАМ практически не зависит от порядка ФНЧ в тракте регулировки и она тем больше, чем меньше частота ПАМ.
Для схем (рисунки 2.2, 2.3), использующих регулировку по отклонению, комплексная ЧКХ из (3.4) и (3.5) при N2=Ns N при использовании ФНЧ первого порядка имеет вид
На рисунке 3.5 а, б представлены нормированные АЧХ автокомпенсаторов ПАМ фазовых модуляторов с регулировкой по отклонению, рассчитанные по (3.44) ... (3.46) соответственно в относительных единицах и децибелах для коэффициентов регулировки 7V=10 и #=100.
Из этого рисунка следует, что автокомпенсаторы ПАМ представляют из себя для паразитных амплитудных приращений выходного радиосигнала, как и автокомпенсаторы ПАМ с регулировкой по возмущению эквивалентные ФВЧ, причем в полосе задерживания этих ФВЧ степень компенсации не зависит от порядка ФНЧ в тракте регулировки, а определяется только коэффициентом регулировки. В то же время, в отличие от автокомпенсаторов ПАМ с регулировкой по возмущению, в данных автокомпенсаторах степень компенсации в полосе задерживания эквивалентного ФВЧ не зави 2 1 f1и: I і I I 1 \ \11 , s/ tN / JV 10 I к = 1Q( /AS 1 Нормированные АЧХ автокомпенсаторов ПАМ фазовых модуляторов с регулировкой по отклонению сит от частоты ПАМ. В полосе пропускания эквивалентных ФВЧ при ФНЧ второго порядка здесь наблюдается значительный выброс АЧХ, что может привести увеличению уровня ПАМ с частотами, попадающими в полосу пропускания эквивалентного ФВЧ, несмотря на то, что в трактах регулировки используется ФНЧ.
Для схем, изображенных на рисунках 2.4 и 2.5 и использующих комбинированную регулировку по возмущению и отклонению, комплексная ЧКХ из (3.6) и (3.7) при N2=Ni=N при использовании ФНЧ первого порядка имеет вид
Частотные характеристики синтезаторов с автокомпенсацией паразитной угловой модуляции импульсно-фазовых модуляторов
Во второй главе были предложены структурные схемы устройств формирования узкополосных радиосигналов с частотной модуляцией на базе фазовых модуляторов и автокомпенсацией паразитной амплитудной и угловой модуляции (рисунки 2.1 - 2.6). В результате линеаризации характеристик узлов схемы, изображенной на рисунке 2.6, в третьей главе получена обобщенная эквивалентная операторная схема автокомпенсатора ПАМ фазового модулятора (рисунок 3.1). Данная схема включает в себя регулировку по возмущению, по отклонению и комбинированную регулировку.
Проведем моделирование схем автокомпенсаторов ПАМ отдельно с регулировкой по возмущению, по отклонению, а также с комбинированной регулировкой, включающей в себя автокомпенсацию ПАМ по отклонению и по возмущению [80-81]. Моделирование операторных эквивалентных схем автокомпенсаторов проведем в системе схемотехнического моделирования Design Center 6.2, которая отличается высоким уровнем точности моделирования и приближения параметров элементов, получаемых этой системой, к реальным. Основу системы составляет программа PSpice, которая является наи 91 более известной модификацией программы SPICE (Simulation Program with Integrated Circut Emphassis) для персональных компьютеров [82].
При моделировании операторных эквивалентных схем автокомпенсаторов были использованы встроенные модели элементов библиотеки САПР Design Center. Входной сигнал генерировался в источнике синусоидального напряжения (VSIN) из библиотеки SOURCE.SLB. Данный источник имеет следующие параметры: DC -постоянная составляющая напряжения, АС - амплитуда напряжения при анализе в частотной области, VOFF - постоянная составляющая напряжения, VAMPL - амплитуда напряжения, FREQ - частота, TD -задержка, DF - коэффициент затухания, PHASE - начальная фаза.
Ввиду того, что модель источника (VSIN) имеет внутреннее сопротивление, равное нулю, для корректного моделирования, приближенного к реальности, в цепь источника включен делитель напряжения R1(1KOM) И R2(1MOM). В качестве сумматора напряжений использован сумматор (SUM) из состава встроенной библиотеки ABM.SLB. Данный элемент не имеет изменяемых параметров. В качестве усилителя постоянного тока использовался усилитель (GAIN) из библиотеки элементов ABM.SLB. Единственным его изменяемым параметром является коэффициент усиления.
В качестве ФНЧ использовался элемент из состава встроенной библиотеки ABM.SLB LAPLACE (преобразование Лапласа). Математическая модель компонента состоит из передаточной функции, причем числитель и знаменатель вводятся отдельно.
При моделировании автокомпенсатора ПАМ с регулировкой по возмущению эквивалентная операторная схема в системе схемотехнического моделирования Design Center 6.2 примет следующий вид (рисунок 3.12).
При моделировании схемы с компенсацией по возмущению коэффициент усиления элемента GAIN К выбирался таким образом, чтобы коэффициент регулирования тракта регулировки по возмущению Nl был оптимальным, т.е. равен 1.
На рисунке 3.12 и далее F(p) — передаточная функция ФНЧ. Частота среза ФНЧ выбрана равной 6,8 кГц, так как частота паразитной амплитудной модуляции равна удвоенной частоте модулирующего сигнала, которая соответствует полосе телефонного канала.
Результаты моделирования автокомпенсации ПАМ с регулировкой по возмущению приведены на рисунках 3.13 и 3.14.
На этих рисунках линия 1 соответствует фильтру нижних частот первого порядка в тракте регулировки по возмущению, линии 2 и 3 - соответственно ФНЧ второго порядка с учетом влияния звеньев друг на друга и без учета влияния. При этом коэффициент регулирования в тракте регулировки по возмущению JVi=l.
При моделировании схемы с регулировкой по отклонению коэффициент усиления элемента GAIN К выбирался таким образом, чтобы коэффициент регулирования тракта регулировки по отклонению N2 был равен 10.
Результаты моделирования автокомпенсации ПАМ с регулировкой по отклонению приведены на рисунках 3.16 и 3.17.
На этих рисунках линия 1 соответствует фильтру нижних частот первого порядка в тракте регулировки по отклонению, линии 2 и 3 - соответственно ФНЧ второго порядка с учетом влияния звеньев друг на друга и без учета влияния. При этом коэффициент регулирования в тракте регулировки по отклонению N2=10.
В случае одновременного использования как регулировки по возмущению, так и регулировки по отклонению получим схему автокомпенсатора ПАМ с комбинированной регулировкой, которая в системе схемотехнического моделирования Design Center 6.2 имеет вид, изображенный на рисунке 3.18. ДР
При моделировании схемы с комбинированной регулировкой коэффициенты усиления элементов GAIN К1 и К4 выбирались таким образом, чтобы коэффициент регулирования тракта регулировки по возмущению JVj был оптимальным, т.е. равен 1, а коэффициент регулирования тракта регулировки по отклонению N2 был равен 10.
Результаты моделирования автокомпенсации ПАМ с регулировкой по возмущению приведены на рисунках 3.19 и 3.20.
На этих рисунках линия 1 соответствует фильтру нижних частот первого порядка в трактах регулировки по отклонению и по возмущению, линии 2 и 3 - соответственно ФНЧ второго порядка с учетом влияния звеньев друг на друга и без учета влияния. При этом коэффициент регулирования в тракте регулировки по возмущению Ni=l коэффициент регулирования в тракте регулировки по отклонению N2=10.
