RU2233021C2

RU2233021C2 - Device for converting periodic-signal frequency deviation to phase deviation

Info

Publication number: RU2233021C2
Application number: RU2002112774/09A
Authority: RU
Inventors: М.С. Глушенков (RU); М.С. Глушенков; В.В. Иванов (RU); В.В. Иванов
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2004-07-20

Abstract

FIELD: radio engineering; miscellaneous electronic devices using angle-modulated signals.

SUBSTANCE: proposed device designed for converting frequency deviation to phase deviation with any desired conversion ratio has three mixers 1, 4, 7, three bandpass amplifiers 2, 5, 6, initial phase converter 3, and recorder 8. Initial phase converter has two mixers 9, 10, bandpass amplifier 11, and multistage bandpass amplifier 12.

EFFECT: enhanced sensitivity of device.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и другим областям электронной техники, в которых используются сигналы с угловой модуляцией, и может быть использовано для преобразования сверхмалых девиации частоты в девиацию фазы с произвольным коэффициентом преобразования.The invention relates to radio engineering and other fields of electronic engineering in which angular modulated signals are used, and can be used to convert ultra-small frequency deviations to phase deviations with an arbitrary conversion coefficient.

В качестве аналога изобретения может быть рассмотрено известное устройство преобразования девиации частоты в девиацию фазы [1], которое содержит интегрирующее звено. Известное устройство широко используются в фазовых модуляторах, синтезируемых косвенными методами.As an analogue of the invention can be considered the known device for converting frequency deviation into phase deviation [1], which contains an integrating unit. The known device is widely used in phase modulators synthesized by indirect methods.

Недостатками известного устройства является низкая чувствительность и нелинейные искажения модулирующего сигнала.The disadvantages of the known device is the low sensitivity and non-linear distortion of the modulating signal.

Известно устройство преобразования девиации частоты в девиацию фазы, содержащее полосный усилитель [1]. В известном устройстве изменение частоты сигнала на входе усилителя приводит к дополнительному изменению начальной фазы сигнала на выходе усилителя.A device for converting frequency deviation into phase deviation, containing a strip amplifier [1]. In the known device, a change in the frequency of the signal at the input of the amplifier leads to an additional change in the initial phase of the signal at the output of the amplifier.

Недостатком известного устройства является ограничение на отклонение частоты входного сигнала при больших коэффициентах преобразования, так как при этом необходимо увеличивать добротность усилителя, а это, в свою очередь, уменьшает его полосу пропускания.A disadvantage of the known device is the limitation on the deviation of the input signal frequency at high conversion coefficients, since it is necessary to increase the quality factor of the amplifier, and this, in turn, reduces its passband.

Известно устройство, реализующее способ линеаризации характеристик частотных датчиков, которое содержит первый полосный усилитель, первый смеситель, второй полосный усилитель, второй смеситель, которые образуют автоколебательную систему, ко вторым входам смесителей подключен выход опорного генератора, третий смеситель, входы которого подключены к выходам первого и второго полосных усилителей, а выход - к третьему полосному усилителю. При выполнении условий баланса амплитуд и баланса фаз в данной автоколебательной системе на выходах первого и второго полосных усилителей генерируются сигналы с комбинационными частотами [2].A device is known that implements a linearization of the characteristics of frequency sensors, which contains a first strip amplifier, a first mixer, a second strip amplifier, a second mixer that form a self-oscillating system, the output of the reference generator, the third mixer, the inputs of which are connected to the outputs of the first and second band amplifiers, and the output to the third band amplifier. When the conditions of the balance of amplitudes and phase balance in this self-oscillating system are fulfilled, signals with combination frequencies are generated at the outputs of the first and second band amplifiers [2].

Известное устройство может быть использовано для преобразования девиации частоты периодического сигнала в девиацию фазы, так как существует возможность изменять частоты генерируемых сигналов путем изменения частоты опорного сигнала. При этом, благодаря изменению условия баланса фаз, изменяются фазовые сдвиги в полосных усилителях.The known device can be used to convert the frequency deviation of the periodic signal into phase deviation, since it is possible to change the frequencies of the generated signals by changing the frequency of the reference signal. Moreover, due to a change in the phase balance condition, the phase shifts in the band amplifiers change.

Недостатком устройства является малая чувствительность фазовых сдвигов в усилителях к девиации частоты опорного генератора.The disadvantage of this device is the low sensitivity of the phase shifts in the amplifiers to the frequency deviation of the reference oscillator.

Цель изобретения - увеличение чувствительности устройства для преобразования девиации частоты в девиацию фазы периодического сигнала.The purpose of the invention is to increase the sensitivity of a device for converting frequency deviation into phase deviation of a periodic signal.

С этой целью в известное устройство, содержащее первый смеситель, к первому входу которого подключен выход первого полосного усилителя, второй смеситель, к первому входу которого подключен выход второго полосного усилителя, а выход подключен к входу первого полосного усилителя, третий смеситель, к входам которого подключены выходы первого и второго полосных усилителей, а выход подключен ко входу третьего полосного усилителя, регистратор, первый вход которого подключен к выходу третьего полосного усилителя, к выходу первого смесителя подключен преобразователь начальной фазы, выход которого подключен ко входу второго полосного усилителя, а ко вторым входам первого смесителя, второго смесителя и регистратора подключен вход устройства.To this end, in a known device containing a first mixer, the first input of which is connected to the output of the first strip amplifier, a second mixer, to the first input of which is connected the output of the second strip amplifier, and the output is connected to the input of the first strip amplifier, the third mixer, to the inputs of which the outputs of the first and second strip amplifiers, and the output is connected to the input of the third strip amplifier, a recorder, the first input of which is connected to the output of the third strip amplifier, to the output of the first mixer the initial phase converter is switched on, the output of which is connected to the input of the second strip amplifier, and the input of the device is connected to the second inputs of the first mixer, second mixer and recorder.

С целью получения инверсной фазочастотной характеристики каскадного соединения преобразователь начальной фазы и второй полосный усилитель по сравнению с фазочастотной характеристикой второго полосного усилителя, преобразователь начальной фазы содержит четвертый смеситель, оба входа которого и вход многокаскадного полосного усилителя подключены к выходу четвертого полосного усилителя, вход которого является входом преобразователя начальной фазы, пятый смеситель, к первому входу которого подключен выход четвертого смесителя, ко второму входу подключен выход многокаскадного полосного усилителя, а выход является выходом преобразователя начальной фазы.In order to obtain the inverse phase-frequency characteristic of the cascade connection, the initial phase converter and the second strip amplifier as compared with the phase-frequency characteristic of the second strip amplifier, the initial phase converter contains a fourth mixer, both inputs of which and the input of the multi-stage strip amplifier are connected to the output of the fourth strip amplifier, the input of which is the input the initial phase converter, the fifth mixer, to the first input of which the output of the fourth mixer is connected, to oromu input connected to the output of a multi-band amplifier, and the output is the output of inverter the initial phase.

Техническими результатами, которые могут быть получены при использовании изобретения, являются фазовые модуляторы высокой чувствительности, быстродействующие измерители сверхмалых отклонений частоты в радиотехнических измерениях, преобразователи сверхмалых девиаций частоты выходных сигналов частотных датчиков.The technical results that can be obtained by using the invention are high sensitivity phase modulators, high-speed meters of ultra-small frequency deviations in radio engineering measurements, converters of ultra-small frequency deviations of the output signals of frequency sensors.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства.Figure 1 shows the structural diagram of the device.

Устройство содержит балансные смесители 1, 4, 7, полосные усилители 2, 5, 6, преобразователь начальной фазы 3 и регистратор 8.The device contains balanced mixers 1, 4, 7, strip amplifiers 2, 5, 6, an initial phase converter 3 and a recorder 8.

На фиг.2 изображен вариант структурной схемы преобразователя начальной фазы 3.Figure 2 shows a variant of the structural diagram of the Converter initial phase 3.

Преобразователь начальной фазы содержит балансные смесители 9 и 10, полосный усилитель 11 и многокаскадный полосный усилитель 12.The initial phase Converter contains balanced mixers 9 and 10, a strip amplifier 11 and a multi-stage strip amplifier 12.

На фиг.3 изображены графики, иллюстрирующие преобразование девиации частоты входного периодического сигнала в девиацию фазы, когда частота входного сигнала равна сумме частот генерируемых сигналов.Figure 3 shows graphs illustrating the conversion of the frequency deviation of the input periodic signal to the phase deviation when the frequency of the input signal is equal to the sum of the frequencies of the generated signals.

Приведены зависимости φ(f₂) и φ(f₁) эквивалентных фазочастотных характеристик.The dependences φ (f ₂ ) and φ (f ₁ ) of the equivalent phase-frequency characteristics are given.

На фиг.4 изображены графики, иллюстрирующие преобразование девиации частоты входного периодического сигнала в девиацию фазы, когда частота входного сигнала равна разности частот генерируемых сигналов.Figure 4 shows graphs illustrating the conversion of the frequency deviation of the input periodic signal to the phase deviation, when the frequency of the input signal is equal to the frequency difference of the generated signals.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства для преобразования девиации частоты периодического сигнала в девиацию фазы. Устройство содержит смеситель 1, к первому входу которого подключен выход полосного усилителя 2, а к выходу подключен вход преобразователя начальной фазы 3, к выходу которого подключен полосный усилитель 6, смеситель 7, к первому входу которого подключен выход полосного усилителя 6, а к выходу подключен вход полосного усилителя 2, смеситель 4, ко входам которого подключены выходы полосных усилителей 2 и 6, а выход подключен к полосному усилителю 5, выход которого подключен к первому входу регистратора 8, ко вторым входам смесителя 1, смесителя 7 и регистратора 8 подключен вход устройства.Figure 1 shows the structural diagram of a device for converting the frequency deviation of the periodic signal into phase deviation. The device contains a mixer 1, the first input of which is connected to the output of the strip amplifier 2, and the input of the converter of the initial phase 3 is connected to the output, to the output of which the strip amplifier 6 is connected, a mixer 7, to the first input of which the output of the strip amplifier 6 is connected, and the output is connected the input of the strip amplifier 2, mixer 4, to the inputs of which the outputs of the strip amplifiers 2 and 6 are connected, and the output is connected to the strip amplifier 5, the output of which is connected to the first input of the recorder 8, to the second inputs of the mixer 1, mixer 7 and egistratora input device 8 is connected.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Резонансные частоты f₁₀ и f₂₀ первого и второго полосных усилителей при известной средней частоте f_вх0 входного сигнала выбирают в соответствии с условием:The resonant frequencies f ₁₀ and f _{20 of the} first and second band amplifiers with a known average frequency f in _{0 of the} input signal are selected in accordance with the condition:

f₁₀ ± f₂₀ = f_вх0.(1)f ₁₀ ± f ₂₀ = f _in0 . (1)

Входной модулированный по частоте сигнал с подается на вторые входы смесителя 1, смесителя 7 и регистратора 8. На выходах полосных усилителей 2 и 6 генерируются сигналы с частотами f₁ и f₂, если выполнены условия баланса амплитуд и баланса фаз. Выходные сигналы балансных смесителей 1 и 7 содержат компоненты с суммарной и разностной частотой смешиваемых сигналов. На выходе полосного усилителя 6 генерируется сигнал, частота которого равна разности f_вх - f₁ или f₁ - f_вх в зависимости от знака в условии (1). На выходе полосного усилителя 2 генерируется сигнал, частота которого равна f_вх ± f₂ в соответствии со знаком в условии (1). Благодаря преобразователю начальной фазы 3 фазочастотные характеристики полосного усилителя 2 и каскадного соединения преобразователь начальной фазы 3 и полосный усилитель 6 имеют наклоны разного знака (см. фиг.3 и фиг.4).An input frequency-modulated signal c is supplied to the second inputs of mixer 1, mixer 7, and recorder 8. At the outputs of the strip amplifiers 2 and 6, signals with frequencies f ₁ and f _{2 are} generated if the conditions of amplitude balance and phase balance are satisfied. The output signals of balanced mixers 1 and 7 contain components with the total and difference frequency of the mixed signals. At the output of bandpass amplifier 6 generates a signal having a frequency equal to the difference _Rin f - f ₁ or f ₁ - f _Rin depending on the sign in the condition (1). At the output of the strip amplifier 2, a signal is generated whose frequency is f _in ± f ₂ in accordance with the sign in condition (1). Thanks to the initial phase converter 3, the phase-frequency characteristics of the strip amplifier 2 and the cascade connection, the initial phase converter 3 and the strip amplifier 6 have slopes of different signs (see FIG. 3 and FIG. 4).

Установившийся режим в рассматриваемом устройстве относительно частот генерируемых сигналов при выполнении условия баланса амплитуд определяется системой уравненийThe steady state in the device under consideration with respect to the frequencies of the generated signals when the amplitude balance condition is satisfied is determined by the system of equations

Если значения частоты входного сигнала и резонансных частот полосных усилителей отвечают условию (1), то баланс фаз по замкнутому контуру смеситель 1, преобразователь 3, усилитель 6, смеситель 7, усилитель 2 выполняется при нулевых фазовых сдвигах. Частоты генерируемых сигналов совпадают с резонансными частотами усилителей 2 и 6 (см. фиг.3 и фиг.4).If the values of the input signal frequency and the resonant frequencies of the strip amplifiers meet condition (1), then the closed-loop phase balance mixer 1, converter 3, amplifier 6, mixer 7, amplifier 2 is performed at zero phase shifts. The frequencies of the generated signals coincide with the resonant frequencies of the amplifiers 2 and 6 (see figure 3 and figure 4).

Отклонение частоты входного сигнала f_вх относительно значения f_вx0 нарушает баланс фаз. Начинается переходный процесс, заключающийся в изменении частот генерируемых сигналов на выходах полосных усилителей до тех пор, пока не наступит баланс фаз при новых значениях частот. Новый установившийся режим показан на фиг.3 и фиг.4. Ему соответствуют частоты f₁ и f₂. При определенных условиях изменение частот генерируемых сигналов значительно превышает отклонение частоты входного сигнала. Затем оба генерируемых сигнала перемножаются в смесителе 4. С помощью полосного усилителя 5 выделяется сигнал, частота которого равна частоте входного сигнала. В регистраторе 8 сравниваются два сигнала одинаковой частоты с фазовым сдвигом относительно друг друга, равным φ_б (см. фиг.3 и фиг.4).Deviation of the input signal frequency f _in relative to the value f in _x0 upsets the phase balance. The transition process begins, which consists in changing the frequencies of the generated signals at the outputs of the strip amplifiers until a phase balance occurs at new frequencies. A new steady state is shown in FIG. 3 and FIG. 4. The frequencies f ₁ and f ₂ correspond to it. Under certain conditions, the change in the frequencies of the generated signals significantly exceeds the frequency deviation of the input signal. Then, both generated signals are multiplied in the mixer 4. Using a strip amplifier 5, a signal is emitted whose frequency is equal to the frequency of the input signal. In the recorder 8 two signals of the same frequency are compared with a phase shift relative to each other equal to φ _b (see figure 3 and figure 4).

Воспользуемся линеаризованными фазочастотными характеристиками с противоположным друг другу наклоном в области полосы пропускания усилителей:We use the linearized phase-frequency characteristics with an opposite slope in the region of the passband of the amplifiers:

где Q - добротности полосных усилителей.where Q is the Q factor of the band amplifiers.

Решая совместно (2) и (3), найдем выражение для частоты f₁, а затем с помощью (3) - выражение для φ₆. В результате получимSolving together (2) and (3), we find the expression for the frequency f ₁ , and then with the help of (3) - the expression for φ ₆ . As a result, we obtain

Чувствительность преобразователя определяется выражениемThe sensitivity of the converter is determined by the expression

Так как знаменатель (5) может быть каким угодно малым по сравнению с числителем, то и девиация фазы может быть какой угодно большой при неизменной девиации частоты входного сигнала. Видно, что изменение добротности одного из усилителей вызывает изменение девиации фазы выходного сигнала. Происходит преобразование девиации частоты в девиацию фазы. Коэффициент преобразования S регулируется и может быть достаточно большим. Следовательно, чувствительность преобразователя во много раз превышает чувствительность известных устройств.Since the denominator (5) can be arbitrarily small compared to the numerator, the phase deviation can be arbitrarily large with a constant deviation of the input signal frequency. It is seen that a change in the quality factor of one of the amplifiers causes a change in the phase deviation of the output signal. Frequency deviation is converted to phase deviation. The conversion coefficient S is adjustable and can be quite large. Therefore, the sensitivity of the converter is many times higher than the sensitivity of known devices.

Отрицательный знак во втором выражении (3) получен благодаря преобразователю начальной фазы 3. Пример структурной схемы преобразователя начальной фазы приведен на фиг.2.The negative sign in the second expression (3) is obtained thanks to the initial phase converter 3. An example of the structural diagram of the initial phase converter is shown in FIG. 2.

Преобразователь 3 содержит смеситель 9, к обоим входам которого и ко входу многокаскадного полосного усилителя 12 подключен выход полосного усилителя 11, вход которого является входом преобразователя, смеситель 10, к первому входу которого подключен выход смесителя 9, ко второму входу подключен выход многокаскадного полосного усилителя 12, а выход является выходом преобразователя.Converter 3 contains a mixer 9, to both inputs of which and to the input of a multistage strip amplifier 12, the output of a strip amplifier 11 is connected, the input of which is the input of the converter, mixer 10, the output of the mixer 9 is connected to its first input, and the output of a multistage strip amplifier 12 is connected to the second input , and the output is the output of the converter.

Преобразователь начальной фазы 3 работает следующим образом.Converter initial phase 3 operates as follows.

Полосный усилитель 11 и все каскады трехкаскадного полосного усилителя 12 имеют одинаковую добротность, равную добротности полосного усилителя 6, и настроены на его резонансную частоту. При смещении частот генерируемых сигналов относительно резонансных частот в усилителе 11 и в каждом каскаде трехкаскадного усилителя 12 сигнал приобретает дополнительный фазовый сдвиг Δφ. В результате, если начальная фаза входного сигнала преобразователя 3 была ψ*, то на выходе усилителя 12 его начальная фаза будет (ψ*+4Δφ). Начальная фаза сигнала с двойной частотой на выходе смесителя 9 будет (2ψ*+2Δφ). У сигнала на выходе смесителя 10 с разностной частотой, равной частоте входного сигнала преобразователя 3, начальная фаза будет равна (2ψ*+2Δφ-ψ*-4Δφ). В полосном усилителе 6 сигнал получает дополнительный фазовый сдвиг Δφ, в результате начальная фаза генерируемого сигнала на его выходе будет равна (ψ*-Δφ). Все указанное справедливо при любом отклонении частоты генерируемого сигнала от соответствующей резонансной частоты. Эквивалентная фазочастотная характеристика каскадного соединения преобразователя начальной фазы 3 и полосного усилителя 6 будет инверсной по отношению к фазочастотной характеристике полосного усилителя 6 и соответствует второму выражению (3).The strip amplifier 11 and all stages of the three-stage strip amplifier 12 have the same quality factor equal to the quality factor of the strip amplifier 6 and are tuned to its resonant frequency. When the frequencies of the generated signals are shifted relative to the resonant frequencies in the amplifier 11 and in each stage of the three-stage amplifier 12, the signal acquires an additional phase shift Δφ. As a result, if the initial phase of the input signal of the converter 3 was ψ *, then at the output of the amplifier 12 its initial phase will be (ψ * + 4Δφ). The initial phase of the signal with a double frequency at the output of the mixer 9 will be (2ψ * + 2Δφ). The signal at the output of the mixer 10 with a difference frequency equal to the frequency of the input signal of the converter 3, the initial phase will be equal to (2ψ * + 2Δφ-ψ * -4Δφ). In the strip amplifier 6, the signal receives an additional phase shift Δφ, as a result, the initial phase of the generated signal at its output will be (ψ * -Δφ). All of the above is true for any deviation of the frequency of the generated signal from the corresponding resonant frequency. The equivalent phase-frequency characteristic of the cascade connection of the initial phase converter 3 and the strip amplifier 6 will be inverse to the phase-frequency characteristic of the strip amplifier 6 and corresponds to the second expression (3).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет во много раз увеличить чувствительность преобразователя девиации частоты в девиацию фазы выходного сигнала относительно начальной фазы входного сигнала.Thus, the proposed device allows many times to increase the sensitivity of the Converter frequency deviation in the phase deviation of the output signal relative to the initial phase of the input signal.

Список источников информацииList of sources of information

1. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев и др. – М.: Радио и связь, 1990. - 432 с.1. Radio transmitting devices: Textbook for high schools / V.V. Shahgildyan, V.B. Kozyrev et al. - M.: Radio and Communications, 1990. - 432 p.

2. А.с. 754442 (СССР), G 06 G 7/26. Способ линерализации характеристик дифференциальных частотных датчиков / В.К. Шакурский, Ю.И. Моргунов. Опубл. 07.08.80 г. Бюл. №29.2. A.S. 754442 (USSR), G 06 G 7/26. A way to linearize the characteristics of differential frequency sensors / V.K. Shakursky, Yu.I. Morgunov. Publ. 08/07/80, Bull. No. 29.

Claims

1. Device for converting frequency deviation into phase deviation of a periodic signal, comprising a first mixer, the first input of which is connected to the output of the first strip amplifier, a second mixer, to the first input of which is connected the output of the second strip amplifier, and the output is connected to the input of the first strip amplifier, third a mixer, the inputs of which are connected to the outputs of the first and second strip amplifiers, and the output is connected to the input of the third strip amplifier, a recorder, the first input of which is connected to the third output th band amplifier, characterized in that, in order to increase the sensitivity of the transducer to the output of the first mixer connected initial phase inverter whose output is connected to an input of the second bandpass amplifier, and to the second inputs of the first mixer and the second mixer input connected recorder device.

2. The device according to claim 1, characterized in that, in order to obtain an inverse phase-frequency characteristic of the cascade connection, the initial phase converter and the second strip amplifier with respect to the phase-frequency characteristic of the second strip amplifier, the initial phase converter contains a fourth mixer, both of which have an input and a multi-stage input a strip amplifier connected to the output of the fourth strip amplifier, the input of which is the input of the initial phase converter, the fifth mixer, to the first input of which unplugged fourth mixer output, a second input connected to the output of a multi-band amplifier, and the output is the output of inverter the initial phase.