RU2186454C2 - Способ широкополосного умножения частоты и фазы и устройство для его осуществления - Google Patents
Способ широкополосного умножения частоты и фазы и устройство для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2186454C2 RU2186454C2 RU99121540A RU99121540A RU2186454C2 RU 2186454 C2 RU2186454 C2 RU 2186454C2 RU 99121540 A RU99121540 A RU 99121540A RU 99121540 A RU99121540 A RU 99121540A RU 2186454 C2 RU2186454 C2 RU 2186454C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- analog
- digital
- output
- frequency
- input
- Prior art date
Links
Landscapes
- Analogue/Digital Conversion (AREA)
Abstract
Изобретения относятся к радиотехнике и электросвязи. Основные области применения данного устройства связаны с метрологией, а также с радиотехническими системами, использующими фазовую и частотную модуляцию сигналов. Техническим результатом изобретений является расширение диапазона рабочих частот умножителя частоты и фазы гармонического сигнала. В известном способе умножения частоты и фазы, основанном на использовании чебышевского типа нелинейного преобразования входного сигнала, входной сигнал подвергают аналого-цифровому преобразованию, полученный цифровой код подают на цифровые входы последовательно включенных N ЦАП умножающего типа, при этом на аналоговый вход первого ЦАП подают опорное постоянное напряжение, а на аналоговый вход каждого из N-1 последующих ЦАП подают напряжение с аналогового выхода предыдущего ЦАП. Напряжения с каждого из аналоговых выходов ЦАП и опорное напряжение, взятые с соответствующим знаком и измененные по величине в заданное количество раз, подают на соответствующие входы аналогового сумматора. Сигнал с выхода сумматора, пропущенный через фильтр нижних частот, подают на выход умножителя частоты и фазы. Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговые преобразователи, преобразователи уровней, аналоговый сумматор, фильтр нижних частот, источник опорного напряжения. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Заявляемые способ и устройство широкополосного умножения частоты и фазы относятся к области радиотехники и электросвязи. Основные области применения данного устройства связаны с метрологией, а также с радиотехническими системами, использующими фазовую и частотную модуляцию сигналов.
В радиотехнике хорошо известны и широко применяются нелинейные резонансные умножители частоты (см. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М. : Высшая школа, 1983, с. 332-333). Такой умножитель представляет собой последовательное включение нелинейного преобразователя и узкополосного фильтра. При прохождении входного гармонического сигнала
UВх(t) = U0•sin(ω•t+φ) (1)
через нелинейный преобразователь образуется сигнал Uн(t), представляющий собой сумму некоторого количества гармонических составляющих
В случае умножения частоты в n раз соответствующая n-я гармоника выделяется с помощью узкополосного фильтра.
UВх(t) = U0•sin(ω•t+φ) (1)
через нелинейный преобразователь образуется сигнал Uн(t), представляющий собой сумму некоторого количества гармонических составляющих
В случае умножения частоты в n раз соответствующая n-я гармоника выделяется с помощью узкополосного фильтра.
Основными недостатками таких умножителей является узкая полоса рабочих частот и многофакторная зависимость (неопределенность) значения фазы φn n-й гармоники. Указанные недостатки резонансных умножителей существенно снижают их функциональные возможности при умножении частоты и фазы квазигармонического сигнала, частота которого меняется в широкой полосе частот (системы с фазовой и частотной модуляцией сигналов).
Очевидным путем расширения диапазона входных рабочих частот умножителя частоты с заданной кратностью n умножения является подбор такого типа нелинейного преобразования, которое обеспечивает получение на выходе только заданной одной n-й гармоники.
Наиболее близким к заявляемому является способ умножения частоты и фазы, основанный на полиномиальном нелинейном преобразовании исходного гармонического сигнала, обеспечивающего получение на выходе сигнала с умноженной в заданное количество раз частотой и фазой (см. Кушнир В.Ф., Ферсман Б.А. Теория нелинейных электрических цепей. - М.: Связь, 1974. С. 87-88). Суть известного способа состоит в следующем. Гармонический сигнал подают на вход нелинейного четырехполюсника со специально подобранным типом нелинейности. Действие такого нелинейного преобразователя должно сводиться к умножению частоты ω и начальной фазы φ исходного сигнала (1) в n раз. С выхода нелинейного четырехполюсника снимают сигнал y(t), частота и фаза которого умножены в n раз. В аналитическом виде гармонический сигнал y(t) с умноженной в n раз частотой имеет вид
y(t) = B•cos(n•ω•t+n•φ). (3)
В обобщенном виде нелинейное преобразование четырехполюсника можно записать в следующем виде
y(t)=Tn(x(t)). (4)
Из (1) и (3) несложно найти математический вид необходимой нелинейной функции
y(t)=B•cos(n•arccos(x/a)). (5)
Выражения Tn(x), обеспечивающие преобразование (5), известны в математике как многочлены (полиномы) Чебышева первого рода (см. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике. - М.: Наука, 1970. С. 663). Многочлен Чебышева n-го порядка обеспечивает умножение частоты в n раз. Многочлен Чебышева нечетного порядка представляет собой сумму нечетных степенных функций с первого по n-й порядок включительно. Многочлен Чебышева четного порядка представляет собой сумму четных степенных функций с нулевого по n-й порядок включительно. Вид многочленов Чебышева известен практически для любых значений n. В частности,
T2(х)=-1+2х2 (6)
Т3(х)=-3х+4х3 (7)
T4(x)=1-8x2+8x4 (8)
T5(x)=5x-20x3+16x5 (9)
Достоинством умножителей частоты, выполненных на основе нелинейного преобразования чебышевского типа, является отсутствие ненужных гармонических составляющих, кроме умноженной в необходимое число раз по частоте и фазе гармоники.
y(t) = B•cos(n•ω•t+n•φ). (3)
В обобщенном виде нелинейное преобразование четырехполюсника можно записать в следующем виде
y(t)=Tn(x(t)). (4)
Из (1) и (3) несложно найти математический вид необходимой нелинейной функции
y(t)=B•cos(n•arccos(x/a)). (5)
Выражения Tn(x), обеспечивающие преобразование (5), известны в математике как многочлены (полиномы) Чебышева первого рода (см. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике. - М.: Наука, 1970. С. 663). Многочлен Чебышева n-го порядка обеспечивает умножение частоты в n раз. Многочлен Чебышева нечетного порядка представляет собой сумму нечетных степенных функций с первого по n-й порядок включительно. Многочлен Чебышева четного порядка представляет собой сумму четных степенных функций с нулевого по n-й порядок включительно. Вид многочленов Чебышева известен практически для любых значений n. В частности,
T2(х)=-1+2х2 (6)
Т3(х)=-3х+4х3 (7)
T4(x)=1-8x2+8x4 (8)
T5(x)=5x-20x3+16x5 (9)
Достоинством умножителей частоты, выполненных на основе нелинейного преобразования чебышевского типа, является отсутствие ненужных гармонических составляющих, кроме умноженной в необходимое число раз по частоте и фазе гармоники.
Основным недостатком известного способа умножения частоты и фазы является ограниченный диапазон рабочих частот. Этот недостаток обусловлен сложностью технической реализации достаточно точных и быстродействующих преобразователей степенного типа. Как известно, такие преобразователи могут быть как аналогового (см. Алексенко А. Г. и др. Применение прецизионных аналоговых схем. - М.: Радио и связь, 1985, 256 с.), так и цифрового типа. Степенные преобразователи цифрового типа обычно реализуются на основе цифровых универсальных или специализированных ЭВМ. Недостатком таких преобразователей является большой объем вычислений и как следствие этого - низкое быстродействие и невозможность работы на достаточно высоких частотах.
Степенные преобразователи аналогового типа могут быть построены как на основе устройств с кусочно-линейной аппроксимацией, так и на основе аналоговых множительных устройств (см. , например, Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В. А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь, 1982. С. 59-63). В любом случае построения точность аналоговых степенных преобразователей относительно невелика. Поэтому при использовании таких степенных преобразователей в умножителях частоты не удается обеспечить получение только одной гармонической составляющей и эффективное подавление других составляющих.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение диапазона рабочих частот умножителя частоты и фазы гармонического сигнала.
Технический результат достигается тем, что в известном способе умножения частоты и фазы, основанном на использовании чебышевского типа нелинейного преобразования входного сигнала, входной сигнал подвергают аналого-цифровому преобразованию в АЦП. Полученный цифровой код с выхода АЦП подают на цифровые входы последовательно включенных N ЦАП умножающего типа, при этом на аналоговый вход первого ЦАП подают опорное постоянное напряжение, а на аналоговый вход каждого из N-1 последующих ЦАП подают напряжение с аналогового выхода предыдущего ЦАП, при этом напряжения с каждого из аналоговых выходов ЦАП и опорное напряжение, взятые с соответствующим знаком и измененные по величине в заданное количество раз, подают на соответствующие входы аналогового сумматора. Сигнал с выхода сумматора через фильтр нижних частот подают на выход умножителя частоты и фазы.
Применение предлагаемого способа по сравнению с известными позволяет существенно увеличить быстродействие и точность чебышевского полиномиального преобразования входного сигнала. В свою очередь, это способствует расширению диапазона рабочих частот умножения частоты и фазы. Действительно, достигнутое за счет более высокой точности Чебышевского преобразования снижение уровня паразитных спектральных составляющих, присутствующих на выходе устройства наряду с полезным сигналом, умноженным в заданное число раз по частоте, позволяет отказаться от узкополосных фильтров, ограничивающих рабочий диапазон частот. Кроме этого, повышение быстродействия нелинейного преобразователя позволяет работать в более широком диапазоне тактовых частот, т. е. в более широком диапазоне частот входных и выходных сигналов.
Наиболее близким к заявляемому является устройство умножения частоты и фазы, основанное на полиномиальном нелинейном преобразовании исходного гармонического сигнала, обеспечивающим получение на выходе сигнала с умноженной в заданное количество раз частотой и фазой (см. Кушнир В.Ф., Ферсман Б. А. Теория нелинейных электрических цепей. - М.: Связь, 1974. С. 87-88). Основу известного устройства составляет нелинейный четырехполюсник с передаточной характеристикой чебышевского типа.
Основным недостатком известного устройства умножения частоты и фазы является узкий диапазон рабочих частот. Этот недостаток обусловлен низким быстродействием цифровых и высокой погрешностью аналоговых преобразователей чебышевского типа.
Техническим результатом изобретения является расширение диапазона рабочих частот устройства для умножения частоты и фазы.
Технический результат достигается тем, что в известный умножитель частоты и фазы гармонических сигналов, основанный на нелинейном полиномиальном чебышевского типа преобразовании исходного сигнала, введены линейный аналого-цифрового преобразователь, вход которого соединен со входом устройства, N цифроаналоговых преобразователей умножающего типа, цифровые входы которых соединены с соответствующими цифровыми выходами аналого-цифрового преобразователя, при этом аналоговый вход первого цифроаналогового преобразователя соединен с выходом источника постоянного опорного напряжения, а аналоговый вход каждого из N-1 последующих цифроаналоговых преобразователей соединен с аналоговым выходом предыдущего цифроаналогового преобразователя, каждый из аналоговых выходов цифроаналоговых преобразователей и выход источника опорного напряжения через соответствующие линейные масштабные преобразователи с заданными по величине и знаку коэффициентами передачи соединены с N+1 входами аналогового сумматора, выход которого через фильтр нижних частот соединен с выходом устройства.
На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства широкополосного умножения частоты и фазы.
Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, аналоговый вход которого является входом широкополосного устройства умножения частоты и фазы. Каждый разряд цифрового выхода АЦП 1 соединен с соответствующим разрядом цифровых входов цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 2-5 (на чертеже изображены только 4 ЦАП из цепочки в N ЦАП). Аналоговый вход каждого из N-1 последующих ЦАП соединен с аналоговым выходом предыдущего ЦАП. Кроме того, аналоговый выход каждого i-го ЦАП через соответствующие преобразователи уровней 6-10 с коэффициентом передачи аi и выход источника опорного напряжения 11 через преобразователь уровня 12 с коэффициентом передачи а0 соединены со входами аналогового сумматора Σ 13. Выход сумматора 13 через фильтр нижних частот 14 соединен с выходом устройства широкополосного умножения частоты и фазы. Запуск АЦП 1 осуществляется периодически с частотой ft, по крайней мере в два раза превышающей верхнюю граничную частоту входного периодического сигнала.
Устройство работает следующим образом. В дискретные моменты времени tj входной аналоговый гармонический сигнал в АЦП 1 подвергается аналого-цифровому преобразованию. Цифровой код Ud(tj) с АЦП поступает на аналоговые входы N ЦАП, выполняющих функцию потенциометров, управляемых цифровым кодом. Мгновенная величина напряжения z1(tj) на выходе первого ЦАП составляет
z1(tj)=U0•b•Ud(tj), (10)
где b - некоторая константа преобразования каждого ЦАП. На выходе каждого i-го по счету ЦАП мгновенная величина zi(tj) напряжения будет равна
zi(tj)=zi-1(tj)(b•Ud=U0•bi•Ud i(tj). (11)
На выходе сумматора Σ дискретные значения напряжения UΣ(tj) в момент времени tj будут равны
Величина коэффициентов передачи аi выбирается в соответствии с величиной b и видом полиномов Чебышева (см. выражения (6)-(9)).
z1(tj)=U0•b•Ud(tj), (10)
где b - некоторая константа преобразования каждого ЦАП. На выходе каждого i-го по счету ЦАП мгновенная величина zi(tj) напряжения будет равна
zi(tj)=zi-1(tj)(b•Ud=U0•bi•Ud i(tj). (11)
На выходе сумматора Σ дискретные значения напряжения UΣ(tj) в момент времени tj будут равны
Величина коэффициентов передачи аi выбирается в соответствии с величиной b и видом полиномов Чебышева (см. выражения (6)-(9)).
После прохождения через ФНЧ, частота среза которого по крайней мере в n раз превышает половину частоты fd дискретизации входного сигнала, на выходе устройства образуется сигнал, частота и фаза которого будут умножены в заданное число раз.
Claims (2)
1. Способ широкополосного умножения частоты и фазы гармонических сигналов, основанный на нелинейном полиномиальном чебышевского типа преобразовании исходного сигнала, отличающийся тем, что исходный сигнал подвергают аналого-цифровому преобразованию, а полученный цифровой код с выхода аналого-цифрового преобразователя подают на цифровые входы последовательно включенных N цифроаналоговых преобразователей умножающего типа, при этом на аналоговый вход первого цифроаналогового преобразователя подают постоянное опорное напряжение, а на аналоговый вход каждого из N-1 последующих цифроаналоговых преобразователей подают напряжение с аналогового выхода предыдущего цифроаналогового преобразователя, при этом напряжения с каждого из аналоговых выходов цифроаналоговых преобразователей и опорное напряжение, взятые с соответствующим знаком и измененные по величине в заданное количество раз, подают на соответствующие входы аналогового сумматора, с выхода которого сигнал через фильтр нижних частот подают на выход умножителя частоты и фазы.
2. Широкополосный умножитель частоты и фазы гармонических сигналов, основанный на нелинейном полиномиальном чебышевского типа преобразовании исходного сигнала, отличающийся тем, что он содержит линейный аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен со входом устройства, N цифроаналоговых преобразователей умножающего типа, цифровые входы которых соединены с соответствующими цифровыми выходами аналого-цифрового преобразователя, при этом аналоговый вход первого цифроаналогового преобразователя соединен с выходом источника постоянного опорного напряжения, а аналоговый вход каждого из N-1 последующих цифроаналоговых преобразователей соединен с аналоговым выходом предыдущего цифроаналогового преобразователя, каждый из аналоговых выходов цифро-аналоговых преобразователей и выход источника опорного напряжения через соответствующие линейные масштабные преобразователи с заданными по величине и знаку коэффициентами передачи соединены с соответствующими входами аналогового сумматора, выход которого через фильтр нижних частот соединен с выходом устройства.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99121540A RU2186454C2 (ru) | 1999-10-12 | 1999-10-12 | Способ широкополосного умножения частоты и фазы и устройство для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99121540A RU2186454C2 (ru) | 1999-10-12 | 1999-10-12 | Способ широкополосного умножения частоты и фазы и устройство для его осуществления |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU99121540A RU99121540A (ru) | 2001-09-27 |
| RU2186454C2 true RU2186454C2 (ru) | 2002-07-27 |
Family
ID=20225792
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99121540A RU2186454C2 (ru) | 1999-10-12 | 1999-10-12 | Способ широкополосного умножения частоты и фазы и устройство для его осуществления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2186454C2 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU203519U1 (ru) * | 2020-12-07 | 2021-04-08 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕСТ-МАСТЕР" | Широкополосный умножитель частоты |
-
1999
- 1999-10-12 RU RU99121540A patent/RU2186454C2/ru active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| ГНАТЕК Ю.Р. Справочник по цифроаналоговым и аналого-цифровым преобразователям. - М.: Радио и связь, 1982. * |
| КУШНИР В.Ф., ФЕРСМАН Б.А. Теория нелинейных электрических цепей. - М.: Связь, 1974, с. 87-88. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU203519U1 (ru) * | 2020-12-07 | 2021-04-08 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕСТ-МАСТЕР" | Широкополосный умножитель частоты |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4588979A (en) | Analog-to-digital converter | |
| Oppenheim et al. | Discrete representation of signals | |
| CN1677870B (zh) | 利用谐波抵消的线性补偿电路 | |
| JPH05501343A (ja) | アナログ・ディジタル変換用の二倍速度過剰標本化補間変調器 | |
| JPS6273378A (ja) | 移動窓非漸化型離散的フ−リエ変換を計算する装置 | |
| JPH0153939B2 (ru) | ||
| Henry | The Prism: recursive FIR signal processing for instrumentation applications | |
| RU2186454C2 (ru) | Способ широкополосного умножения частоты и фазы и устройство для его осуществления | |
| US3745559A (en) | Analog to digital converter | |
| Sozański | Signal-to-noise ratio in power electronic digital control circuits | |
| DE10028593C1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur Digital-Analog-Wandlung eines Signals | |
| Guilherme et al. | New CMOS logarithmic A/D converters employing pipeline and algorithmic architectures | |
| Krishna | Realization of Fractance Device using Continued Fraction Expansion Method | |
| YONEDA et al. | Switched-capacitor DFT and IDFT circuit | |
| RU63138U1 (ru) | Умножитель частоты и фазы гармонического сигнала | |
| Dolecek et al. | Multiplierless two-stage comb structure with an improved magnitude characteristic | |
| Hejn et al. | Measurement and enhancement of multistage sigma-delta modulators | |
| Kale et al. | On achieving micro-dB ripple polyphase filters with binary scaled coefficients | |
| US5233549A (en) | Reduced quantization error FIR filter | |
| Awasthi et al. | Compensated CIC-hybrid signed digit decimation filter | |
| RU2744475C1 (ru) | Цифроаналоговый преобразователь | |
| JPH0224410B2 (ru) | ||
| Serov et al. | Application of the Moving Average Filter for the Tasks of Electrical Power Parameters Measurement | |
| RU2744337C1 (ru) | Цифроаналоговый преобразователь в системе остаточных классов | |
| Chernoyarov et al. | High-Speed Digital Signal Integrator |