RU2255415C1

RU2255415C1 - Spectrum-division frequency modulator

Info

Publication number: RU2255415C1
Application number: RU2003132677/09A
Authority: RU
Inventors: В.И. Прахов (RU); В.И. Прахов
Original assignee: Прахов Виктор Иванович
Priority date: 2003-11-11
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2005-06-27

Abstract

FIELD: radio communications; digital communication systems.

SUBSTANCE: proposed spectrum-division frequency modulator that incorporates provision for using frequency-modulated signals of high modulation index in communication systems where frequency resources are limited has two multipliers, two phase shifters, smoothing-voltage generator, two amplitude-phase modulators, carrier generator, adder, and frequency shift control unit.

EFFECT: enhanced noise immunity of communication systems.

3 cl, 15 dwg

Description

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано в цифровых системах связи, в частности в системах спутниковой и наземной подвижной радиосвязи для формирования ЧМ сигналов с эффективным использованием радиочастотного спектра.The invention relates to the field of radio communications and can be used in digital communication systems, in particular in satellite and terrestrial mobile radio systems for generating FM signals with efficient use of the radio frequency spectrum.

Аналогами заявляемого устройства являются частотные модуляторы, использующие квадратурные схемы формирования модулированного сигнала, к которым относятся, например, модуляторы π/4-DQPSK и CQPSK (Овчинников М.А., Воробьев С.В., Сергеев С.И. Открытые стандарты цифровой транкинговой радиосвязи. Серия изданий “Связь и бизнес”, М: МЦНТИ, OOO “Мобильные коммуникации”, 2000, - 166 с. См. с.73 и 158). Эти модуляторы выполнены по одинаковым структурным схемам (рис.9.1 и 8.10). Различаются они только фильтрами и скоростью передачи информации (с.160). Указанные модуляторы включают в себя устройство перекодировки, два фильтра нижних частот (фильтры Найквиста), два амплитудных модулятора и сумматор, причем два выхода устройства перекодировки соединяются соответственно с входами фильтров нижних частот, выходы фильтров нижних частот соединяются с входами амплитудных модуляторов, выходы этих модуляторов соединяются с входами сумматора, выход которого является выходом частотного модулятора. Недостатком этих частотных модуляторов является использование только минимального индекса частотной манипуляции, что не позволяет использовать достоинства сигналов с большими индексами модуляции.Analogs of the claimed device are frequency modulators using quadrature modulated signal generating circuits, which include, for example, π / 4-DQPSK and CQPSK modulators (Ovchinnikov M.A., Vorobyov S.V., Sergeev S.I. Open standards for digital trunking of radio communications. Series of publications “Communication and Business”, M: ICSTI, OOO Mobile Communications, 2000, - 166 pp. See p. 73 and 158). These modulators are made according to the same structural schemes (Fig. 9.1 and 8.10). They differ only in filters and information transfer rate (p. 160). These modulators include a transcoding device, two low-pass filters (Nyquist filters), two amplitude modulators and an adder, and the two outputs of the transcoding device are connected respectively to the inputs of the low-pass filters, the outputs of the low-pass filters are connected to the inputs of the amplitude modulators, the outputs of these modulators are connected with the inputs of the adder, the output of which is the output of the frequency modulator. The disadvantage of these frequency modulators is the use of only a minimum index of frequency manipulation, which does not allow using the advantages of signals with large modulation indices.

Наиболее близким по технической сущности является модулятор, осуществляющий частотную модуляцию без разрыва фазы - Minimum Shift Keying (MSK) или, что то же самое, модуляцию минимальным частотным сдвигом (ММС) (см. Банкет В.Л., Дорофеев В.М. Цифровые методы в спутниковой связи. - М.: Радио и связь, 1988, - 240 с., ил., с.39-40, рис.2.1б).The closest in technical essence is a modulator that performs frequency modulation without phase disruption - Minimum Shift Keying (MSK) or, what is the same, modulation with a minimum frequency shift (MMS) (see Banquet V.L., Dorofeev V.M.Digital methods in satellite communications. - M.: Radio and Communications, 1988, - 240 p., ill., p. 39-40, Fig. 2.1b).

Этот модулятор содержит переключатель посылок на два канала (четные посылки - в один канал, нечетные - в другой), генератор сглаживающих напряжений, два перемножителя, генератор несущей, фазовращатель, два амплитудно-фазовых модулятора и сумматор. Поочередное переключение посылок входного модулирующего сигнала на два канала обеспечивает увеличение в два раза длительности посылок в каждом канале. Сглаживание прямоугольных посылок длительностью 2Т₀ по законамThis modulator contains a switch of packages to two channels (even packages to one channel, odd packages to the other), a smoothing voltage generator, two multipliers, a carrier generator, a phase shifter, two amplitude-phase modulators and an adder. Alternately switching the bursts of the input modulating signal to two channels provides a doubling of the duration of the bursts in each channel. Smoothing rectangular parcels with a duration of 2T ₀ according to the laws

в каждом канале соответственно обеспечивает форму огибающих в.ч. напряжений на выходах амплитудно-фазовых модуляторов, соответствующую форме напряжений u₁ и u₂. Вследствие этого осуществляется плавное (линейное) изменение фазы в.ч. колебаний на выходе сумматора за время Т₀ на +π/2 или -π/2 в зависимости от посылки входного модулирующего сигнала (0 или 1). Такое изменение фазы соответствует индексу частотной модуляции выходного сигнала m=0,5. Данный модулятор, благодаря линейному изменению фазы за время посылки, отсутствию скачков фазы на границах посылок формирует на выходе модулированное по частоте напряжение с компактным спектром. Реальная ширина спектра модулированного таким образом сигнала составляет 1,18·V, где V - скорость передачи, бит/с. Применение в модуляторе ММС фильтра Гаусса дает дополнительные возможности уменьшения занимаемой полосы частот (модуляция GMSK, см., например, Ратынский М.В. Основы сотовой связи/ Под ред. Д.Б.Зимина. - М.: Радио и связь, 1998. - 248 с., ил., с.121-126). Кроме того, в данном модуляторе нет прямого воздействия модулирующего сигнала на генератор несущей, благодаря чему обеспечивается высокая стабильность несущего колебания и возможность оперативной смены несущей частоты, что важно для широкополосных систем со скачкообразным изменением частоты.in each channel, respectively, provides the shape of the envelopes of the r.h. voltages at the outputs of the amplitude-phase modulators corresponding to the form of voltages u ₁ and u ₂ . As a result of this, a smooth (linear) phase change of the r.h. oscillations at the output of the adder during the time T ₀ by + π / 2 or -π / 2 depending on the sending of the input modulating signal (0 or 1). Such a phase change corresponds to the frequency modulation index of the output signal m = 0.5. This modulator, due to the linear phase change during the sending time, the absence of phase jumps at the boundaries of the packages, generates a frequency-modulated voltage with a compact spectrum at the output. The real spectrum width of the signal modulated in this way is 1.18 · V, where V is the transmission speed, bits / s. The use of a Gaussian filter in the MMC modulator provides additional opportunities to reduce the occupied frequency band (GMSK modulation, see, for example, Ratinsky M.V. Fundamentals of Cellular Communication / Ed. By D. B. Zimin. - M.: Radio and Communications, 1998. - 248 p., Ill., P. 121-126). In addition, in this modulator there is no direct effect of the modulating signal on the carrier generator, which ensures high stability of the carrier oscillation and the possibility of rapid change of the carrier frequency, which is important for broadband systems with frequency-hopping.

Вместе с тем, требования к помехоустойчивости и качеству приема постоянно растут, а возможности модулятора ММС не соответствуют этим требованиям, поскольку этот модулятор обеспечивает только минимальный индекс модуляции m=0,5.At the same time, the requirements for noise immunity and reception quality are constantly growing, and the capabilities of the MMS modulator do not meet these requirements, since this modulator provides only the minimum modulation index m = 0.5.

Известно, что если в системе связи с ЧМ на входе демодулятора приемника обеспечивается достаточно высокое отношение сигнал/шум, то оказывается целесообразной работа с большими индексами модуляции, т.к. в таком режиме увеличиваются не только уровень сигнала и отношение сигнал/шум на выходе приемника, но и выигрыш в отношении сигнал/шум. Такой режим желателен в случаях, когда необходимо обеспечить высокое качество передаваемых сигналов. Однако чем больше индекс модуляции, тем больше занимаемая сигналом полоса частот, и это обстоятельство ограничивает практическую возможность использования больших индексов модуляции.It is known that if in the communication system with the FM at the input of the receiver demodulator a sufficiently high signal-to-noise ratio is provided, then it turns out to be expedient to work with large modulation indices, since In this mode, not only the signal level and the signal-to-noise ratio at the output of the receiver increase, but also the gain in the signal-to-noise ratio. This mode is desirable in cases where it is necessary to ensure high quality of transmitted signals. However, the larger the modulation index, the larger the frequency band occupied by the signal, and this circumstance limits the practical possibility of using large modulation indices.

В заявляемом изобретении решается задача формирования ЧМ сигнала без разрыва фазы, энергетический спектр которого состоит из двух отдельных частей, симметрично расположенных относительно несущей частоты, сдвиг по частоте между которыми изменяется пропорционально индексу частотной манипуляции при сохранении их формы; при этом ширина полосы частот, занимаемой сигналом, не изменяется при изменении индекса частотной манипуляции.The claimed invention solves the problem of generating an FM signal without phase discontinuity, the energy spectrum of which consists of two separate parts symmetrically located relative to the carrier frequency, the frequency shift between which varies in proportion to the frequency manipulation index while maintaining their shape; the width of the frequency band occupied by the signal does not change with a change in the index of frequency manipulation.

Техническим результатом является возможность использования ЧМ сигналов с большими индексами модуляции в системах связи с ограниченным частотным ресурсом и как следствие - повышение помехоустойчивости систем связи и качества приема сигналов, получение выигрыша в отношении сигнал/помеха, пропорционального индексу частотной манипуляции.The technical result is the possibility of using FM signals with large modulation indices in communication systems with a limited frequency resource and, as a result, improving the noise immunity of communication systems and signal reception quality, gaining in terms of signal / noise proportional to the frequency manipulation index.

Решение этой задачи достигается тем, что в частотный модулятор, содержащий два перемножителя, два фазовращателя, генератор сглаживающего напряжения, два амплитудно-фазовых модулятора, генератор несущей и сумматор, причем выход генератора сглаживающего напряжения соединяется с первым входом первого перемножителя и через первый фазовращатель - с первым входом второго перемножителя, выход первого перемножителя соединяется с первым входом первого амплитудно-фазового модулятора, выход второго перемножителя соединяется с первым входом второго амплитудно-фазового модулятора, выход генератора несущей соединяется со вторым входом первого амплитудно-фазового модулятора и через второй фазовращатель - со вторым входом второго амплитудно-фазового модулятора, выходы первого и второго амплитудно-фазовых модуляторов соединяются соответственно с первым и вторым входами сумматора, выход которого является выходом частотного модулятора с разделением спектра, включается блок управления частотным сдвигом, вход которого является входом частотного модулятора с разделением спектра, первый выход блока управления частотным сдвигом соединяется со вторым входом первого перемножителя, а второй выход блока управления частотным сдвигом соединяется со вторым входом второго перемножителя.The solution to this problem is achieved by the fact that in the frequency modulator containing two multipliers, two phase shifters, a smoothing voltage generator, two amplitude-phase modulators, a carrier generator and an adder, the output of the smoothing voltage generator is connected to the first input of the first multiplier and through the first phase shifter with the first input of the second multiplier, the output of the first multiplier is connected to the first input of the first amplitude-phase modulator, the output of the second multiplier is connected to the first input of w of the amplitude-phase modulator, the output of the carrier generator is connected to the second input of the first amplitude-phase modulator and through the second phase shifter to the second input of the second amplitude-phase modulator, the outputs of the first and second amplitude-phase modulators are connected respectively to the first and second inputs of the adder, the output which is the output of the frequency modulator with separation of the spectrum, the frequency shift control unit is switched on, the input of which is the input of the frequency modulator with separation of the spectrum , the first output of the frequency shift control unit is connected to the second input of the first multiplier, and the second output of the frequency shift control unit is connected to the second input of the second multiplier.

Блок управления частотным сдвигом содержит два элемента “Исключающее ИЛИ”, два D-триггера, четыре ключа и генератор, причем первые входы элементов “Исключающее ИЛИ” соединяются между собой и являются входом блока управления частотным сдвигом, выход первого элемента “Исключающее ИЛИ” соединяется с первым входом первого D-триггера, выход второго элемента “Исключающее ИЛИ” соединяется с первым входом второго D-триггера, вторые входы первого и второго D-триггеров соединяются соответственно с третьим и четвертым выходом генератора, первый выход первого D-триггера соединяется с первым входом первого ключа и со вторым входом второго элемента “Исключающее ИЛИ”, второй выход первого D-триггера соединяется с первым входом второго ключа, первый выход второго D-триггера соединяется с первым входом третьего ключа, второй выход второго D-триггера соединяется с первым входом четвертого ключа и со вторым входом первого элемента “Исключающее ИЛИ”, первый и второй выходы генератора соединяются соответственно со вторым входом первого ключа и вторым входом второго ключа, 5-й и 6-й выходы генератора соединяются соответственно со вторым входом третьего ключа и вторым входом четвертого ключа, выходы первого и второго ключей соединяются между собой и образуют первый выход блока управления частотным сдвигом, выходы третьего и четвертого ключей соединяются между собой и образуют второй выход блока управления частотным сдвигом.The frequency shift control unit contains two Exclusive OR elements, two D-flip-flops, four keys and a generator, the first inputs of the Exclusive OR elements being connected to each other and being the input of the frequency shift control unit, the output of the first Exclusive OR element is connected to the first input of the first D-flip-flop, the output of the second exclusive-OR element is connected to the first input of the second D-flip-flop, the second inputs of the first and second D-flip-flops are connected respectively to the third and fourth outputs of the generator, the first the first output of the first D-trigger is connected to the first input of the first key and to the second input of the second XOR element, the second output of the first D-trigger is connected to the first input of the second key, the first output of the second D-trigger is connected to the first input of the third key, the second the output of the second D-trigger is connected to the first input of the fourth key and to the second input of the first XOR element, the first and second outputs of the generator are connected respectively to the second input of the first key and the second input of the second key, the 5th and 6th outputs rows of the generator are connected respectively to the second input of the third key and a second key of the fourth input, the outputs of the first and second keys are interconnected and form a first output of the frequency shift of the control unit, the outputs of the third and fourth keys are interconnected and form the second output of the frequency offset control unit.

Генератор содержит задающий генератор, блок предустановки, делитель частоты на два, делитель частоты на 2m (где m - индекс частотной манипуляции), два счетчика Джонсона, два элемента “Исключающее ИЛИ”, четыре дифференцирующие цепи с ограничением по минимуму, два формирователя напряжения пилообразной формы, два элемента ИЛИ и два формирователя напряжения синусоидальной формы, причем выход задающего генератора соединяется с входом делителя частоты на два, первый выход делителя частоты на два соединяется с первым входом первого счетчика Джонсона, второй выход делителя частоты на два соединяется с первым входом делителя частоты на 2m, выход которого соединяется с первым входом второго счетчика Джонсона, первый выход блока предустановки соединяется со вторым входом делителя частоты на два, второй выход блока предустановки соединяется со вторыми входами делителя частоты на 2m и обоих счетчиков Джонсона, первый выход первого счетчика Джонсона соединяется с первым входом первого элемента “Исключающее ИЛИ”, второй выход первого счетчика Джонсона соединяется с первым входом второго элемента “Исключающее ИЛИ”, первый выход второго счетчика Джонсона соединяется со вторым входом первого элемента “Исключающее ИЛИ” и с входом первой дифференцирующей цепи с ограничением по минимуму, второй выход второго счетчика Джонсона соединяется с входом второй дифференцирующей цепи, третий выход второго счетчика Джонсона соединяется со вторым входом второго элемента “Исключающее ИЛИ” и с входом третьей дифференцирующей цепи с ограничением по минимуму, четвертый выход второго счетчика Джонсона соединяется с входом четвертой дифференцирующей цепи с ограничением по минимуму, выход первого элемента “Исключающее ИЛИ” соединяется с входом первого формирователя напряжения пилообразной формы, выход второго элемента “Исключающее ИЛИ” соединяется с входом второго формирователя напряжения пилообразной формы, выход первого формирователя напряжения пилообразной формы соединяется с входом первого формирователя напряжения синусоидальной формы, два выхода которого являются первым и вторым выходами генератора, выход второго формирователя напряжения пилообразной формы соединяется с входом второго формирователя напряжения синусоидальной формы, два выхода которого являются пятым и шестым выходами генератора, выходы первой и второй дифференцирующей цепи с ограничением по минимуму соединяются с входами первого элемента ИЛИ, выход которого является третьим выходом генератора, выходы третьей и четвертой дифференцирующей цепи с ограничением по минимуму соединяются с входами второго элемента ИЛИ, выход которого является четвертым выходом генератора.The generator contains a master oscillator, a preset unit, a frequency divider by two, a frequency divider by 2m (where m is the frequency shift keying index), two Johnson counters, two exclusive OR elements, four differentiating circuits with a minimum restriction, two sawtooth voltage generators , two OR elements and two sinusoidal voltage conditioners, the output of the master oscillator being connected to the input of the frequency divider by two, the first output of the frequency divider by two connected to the first input of the first counter J nson, the second output of the frequency divider by two is connected to the first input of the frequency divider by 2m, the output of which is connected to the first input of the second Johnson counter, the first output of the preset unit is connected to the second input of the frequency divider by two, the second output of the preset is connected to the second inputs of the frequency divider at 2m and both Johnson counters, the first output of the first Johnson counter is connected to the first input of the first XOR element, the second output of the first Johnson counter is connected to the first input of T of the exclusive OR element, the first output of the second Johnson counter is connected to the second input of the first exclusive OR element and to the input of the first differentiating circuit with a minimum restriction, the second output of the second Johnson counter is connected to the input of the second differentiating circuit, the third output of the second Johnson counter connected to the second input of the second exclusive-OR element and to the input of the third differentiating circuit with a minimum restriction, the fourth output of the second Johnson counter is connected to the input of four of a differentiated circuit with a minimum restriction, the output of the first exclusive-OR element is connected to the input of the first sawtooth voltage generator, the output of the second exclusive-OR element is connected to the input of the second sawtooth voltage generator, the output of the first sawtooth voltage generator is connected to the input of the first sinusoidal voltage former, the two outputs of which are the first and second outputs of the generator, the output of the second pilo voltage former of different shapes is connected to the input of the second sinusoidal voltage driver, the two outputs of which are the fifth and sixth outputs of the generator, the outputs of the first and second differentiating circuit with a minimum restriction are connected to the inputs of the first OR element, the output of which is the third output of the generator, the outputs of the third and fourth differentiating circuits with a minimum restriction are connected to the inputs of the second OR element, the output of which is the fourth output of the generator.

Совокупность признаков, характеризующих частотный модулятор с разделением спектра, обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые испрашивается объем правовой защиты, а признаки, относящиеся к блоку управления частотным сдвигом и к генератору, характеризуют его лишь в конкретной форме выполнения.The combination of features that characterize the frequency modulator with separation of the spectrum, provides a technical result in all cases for which the amount of legal protection is claimed, and the features related to the frequency shift control unit and the generator characterize it only in a specific form of execution.

Все существенные признаки заявляемого изобретения находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Блок управления частотным сдвигом преобразует входные двоичные посылки модулирующего сигнала в знакопеременные гармонические напряжения длительностью 2Т₀, действующие на выходах этого блока и на длительности посылок определяющиеся равенствами:All the essential features of the claimed invention are in a causal relationship with the achieved technical result. The frequency shift control unit converts the input binary packets of the modulating signal into alternating harmonic voltages of 2T ₀ duration, acting on the outputs of this block and on the duration of the packets determined by the equalities:

В этих равенствах m - индекс частотной манипуляции, который необходимо обеспечить;In these equalities, m is the index of frequency manipulation, which must be provided;

Т₀ - длительность посылок входного модулирующего сигнала,T ₀ - the duration of the packets of the input modulating signal,

t - текущее время.t is the current time.

Индекс частотной манипуляции должен удовлетворять равенству m=n-0,5, где n - целое положительное число. Частота напряжений u₁ и u₂ равна mπ/Т₀. Выбором частоты напряжений u₁ и u₂ обеспечивается необходимый индекс манипуляции. Первый и второй перемножители сглаживают огибающие посылок напряжений u₁ и u₂ по закону синусоидальной полуволны, что необходимо для уменьшения реальной ширины каждой из частей спектра выходного сигнала и придания им формы, как в сигнале MSK. Напряжения с выходов перемножителей воздействуют на амплитудно-фазовые модуляторы, в которых происходит изменение амплитуды и фазы в.ч. колебания, поступающего от генератора несущей. Сложение этих колебаний дает ЧМ напряжение без разрыва фазы с индексом модуляции m, который может быть установлен достаточно большим. При m≥1,5 спектр этого напряжения разделен на две половины.The index of frequency manipulation should satisfy the equality m = n-0.5, where n is a positive integer. The frequency of voltages u ₁ and u ₂ is equal to mπ / T ₀ . The choice of voltage frequency u ₁ and u ₂ provides the necessary index of manipulation. The first and second multipliers smooth the envelopes of the voltage packages u ₁ and u ₂ according to the law of a sinusoidal half-wave, which is necessary to reduce the actual width of each part of the spectrum of the output signal and shape them, as in the MSK signal. The voltages from the outputs of the multipliers act on amplitude-phase modulators in which the amplitude and phase of the rf change. oscillation coming from a carrier generator. The addition of these oscillations gives the FM voltage without phase discontinuity with a modulation index m, which can be set sufficiently large. At m≥1.5, the spectrum of this voltage is divided into two halves.

На фиг.1 представлена структурная схема частотного модулятора с разделением спектра, на фиг.2 - структурная схема блока управления частотным сдвигом, на фиг.3 - структурная схема генератора, на фиг.4 - схема задающего генератора, на фиг.5 - схема блока предустановки, на фиг.6 - схема делителя частоты на 2, на фиг.7 - схема делителя частоты на 2m, на фиг.8 - схема счетчика Джонсона, на фиг.9 - схема дифференцирующей цепи с ограничением по минимуму, на фиг.10 - схема формирователя напряжения пилообразной формы, на фиг.11 - схема формирователя напряжения синусоидальной формы, на фиг.12 - временные диаграммы напряжений в генераторе, на фиг.13 - временные диаграммы напряжений в блоке управления частотным сдвигом, на фиг.14 - временные диаграммы сигналов в частотном модуляторе с разделением спектра, на фиг.15 - спектральная характеристика сигнала на выходе частотного модулятора с разделением спектра.In Fig.1 shows a structural diagram of a frequency modulator with separation of the spectrum, Fig.2 is a structural diagram of a frequency shift control unit, Fig.3 is a structural diagram of a generator, Fig.4 is a diagram of a master oscillator, Fig.5 is a block diagram preset, Fig.6 is a diagram of a frequency divider by 2, Fig.7 is a diagram of a frequency divider by 2m, Fig.8 is a diagram of a Johnson counter, Fig.9 is a diagram of a differentiating circuit with a minimum restriction, Fig.10 - diagram of the sawtooth voltage former, in Fig.11 - diagram of the sinusoid voltage former Fig. 12 is a timing diagram of voltages in the generator, Fig. 13 is a timing diagram of voltages in a frequency shift control unit, Fig. 14 is a timing diagram of signals in a frequency-division modulated frequency modulator, and Fig. 15 is a spectral characteristic signal at the output of the frequency modulator with separation of the spectrum.

Частотный модулятор с разделением спектра (см. фиг.1) содержит блок 1 управления частотным сдвигом, первый перемножитель 2, первый фазовращатель 3, второй перемножитель 4, генератор 5 сглаживающего напряжения, первый амплитудно-фазовый модулятор 6, второй фазовращатель 7, второй амплитудно-фазовый модулятор 8, генератор 9 несущей и сумматор 10, причем вход блока 1 управления частотным сдвигом является входом частотного модулятора с разделением спектра, первый выход блока 1 управления частотным сдвигом соединяется со вторым входом первого перемножителя 2, а второй выход соединяется со вторым входом второго перемножителя 4, выход генератора 5 сглаживающего напряжения соединяется с первым входом первого перемножителя 2 и через первый фазовращатель 3 - с первым входом второго перемножителя 4, выход первого перемножителя 2 соединяется с первым входом первого амплитудно-фазового модулятора 6, выход второго перемножителя 4 соединяется с первым входом второго амплитудно-фазового модулятора 8, выход генератора 9 несущей соединяется со вторым входом первого амплитудно-фазового модулятора 6 и через фазовращатель 7 - со вторым входом второго амплитудно-фазового модулятора 8, выходы амплитудно-фазовых модуляторов 6 и 8 соединяются соответственно с первым и вторым входами сумматора 10, выход которого является выходом частотного модулятора с разделением спектра.The frequency division modulator (see FIG. 1) comprises a frequency shift control unit 1, a first multiplier 2, a first phase shifter 3, a second multiplier 4, a smoothing voltage generator 5, a first amplitude-phase modulator 6, a second phase shifter 7, and a second amplitude a phase modulator 8, a carrier generator 9 and an adder 10, the input of the frequency shift control unit 1 being the input of a frequency-division modulator, the first output of the frequency shift control unit 1 being connected to the second input of the first 2, and the second output is connected to the second input of the second multiplier 4, the output of the smoothing voltage generator 5 is connected to the first input of the first multiplier 2 and through the first phase shifter 3 to the first input of the second multiplier 4, the output of the first multiplier 2 is connected to the first input of the first amplitude phase modulator 6, the output of the second multiplier 4 is connected to the first input of the second amplitude-phase modulator 8, the output of the carrier generator 9 is connected to the second input of the first amplitude-phase modulator 6 and through the phase shifter 7 - with the second input of the second amplitude-phase modulator 8, the outputs of the amplitude-phase modulators 6 and 8 are connected respectively to the first and second inputs of the adder 10, the output of which is the output of the frequency modulator with split spectrum.

Блок 1 управления частотным сдвигом (см. фиг.2) содержит первый элемент 11 “Исключающее ИЛИ”, второй элемент 12 “Исключающее ИЛИ”, первый D-триггер 13, второй D-триггер 14, первый ключ 15, второй ключ 16, третий ключ 17, четвертый ключ 18 и генератор 19, причем первые входы элементов 11 и 12 “Исключающее ИЛИ” соединяются между собой и являются входом блока 1 управления частотным сдвигом, выход элемента 11 “Исключающее ИЛИ” соединяется с первым входом D-триггера 13, выход элемента 12 “Исключающее ИЛИ” соединяется с первым входом D-триггера 14, вторые входы D-триггеров 13 и 14 соединяются соответственно с третьим и четвертым выходом генератора 19, первый выход первого D-триггера 13 соединяется с первым входом первого ключа 15 и со вторым входом второго элемента 12 “Исключающее ИЛИ”, второй выход первого D-триггера 13 соединяется с первым входом второго ключа 16, первый выход второго D-триггера 14 соединяется с первым входом третьего ключа 17, второй выход второго D-триггера 14 соединяется с первым входом четвертого ключа 18 и со вторым входом первого элемента 11 “Исключающее ИЛИ”, первый и второй выходы генератора 19 соединяются соответственно со вторым входом первого ключа 15 и вторым входом второго ключа 16, 5-й и 6-й выходы генератора соединяются соответственно со вторым входом третьего ключа 17 и вторым входом четвертого ключа 18, выходы ключей 15 и 16 соединяются между собой и образуют первый выход блока 1 управления частотным сдвигом, выходы ключей 17 и 18 соединяются между собой и образуют второй выход блока 1 управления частотным сдвигом.The frequency shift control unit 1 (see FIG. 2) contains the first exclusive-OR element 11, the second exclusive-OR element 12, the first D-trigger 13, the second D-trigger 14, the first key 15, the second key 16, the third a key 17, a fourth key 18 and a generator 19, the first inputs of the XOR elements 11 and 12 being connected to each other and being the input of the frequency shift control unit 1, the output of the XOR element 11 is connected to the first input of the D-trigger 13, the output element 12 “Exclusive OR” is connected to the first input of the D-trigger 14, the second inputs of D-t iggers 13 and 14 are connected respectively to the third and fourth outputs of the generator 19, the first output of the first D-trigger 13 is connected to the first input of the first key 15 and to the second input of the second exclusive-12 element 12, the second output of the first D-trigger 13 is connected to the first the input of the second key 16, the first output of the second D-flip-flop 14 is connected to the first input of the third key 17, the second output of the second D-flip-flop 14 is connected to the first input of the fourth key 18 and to the second input of the first XOR element 11, the first and second outputs genera the torus 19 are connected respectively to the second input of the first key 15 and the second input of the second key 16, the 5th and 6th outputs of the generator are connected respectively to the second input of the third key 17 and the second input of the fourth key 18, the outputs of the keys 15 and 16 are interconnected and form the first output of the frequency shift control unit 1, the outputs of the keys 17 and 18 are connected to each other and form the second output of the frequency shift control unit 1.

Генератор 19 (см. фиг.3) содержит задающий генератор 20, блок 21 предустановки, делитель 22 частоты на два, делитель 23 частоты на 2m, первый счетчик 24 Джонсона, второй счетчик 25 Джонсона, первый элемент 26 “Исключающее ИЛИ”, второй элемент 27 “Исключающее ИЛИ”, первую дифференцирующую цепь 28 с ограничением по минимуму, вторую дифференцирующую цепь 29 с ограничением по минимуму, третью дифференцирующую цепь 30 с ограничением по минимуму, четвертую дифференцирующую цепь 31 с ограничением по минимуму, первый формирователь 32 напряжения пилообразной формы, второй формирователь 33 напряжения пилообразной формы, первый элемент 34 ИЛИ, второй элемент 35 ИЛИ, первый формирователь 36 напряжения синусоидальной формы и второй формирователь 37 напряжения синусоидальной формы, причем выход задающего генератора 20 соединяется с входом делителя 22 частоты на два, первый выход делителя 22 частоты на два соединяется с первым входом первого счетчика 24 Джонсона, второй выход делителя 22 частоты на два соединяется с первым входом делителя 23 частоты на 2m, выход которого соединяется с первым входом второго счетчика 25 Джонсона, первый выход блока 21 предустановки соединяется со вторым входом делителя 22 частоты на два, второй выход блока 21 предустановки соединяется со вторыми входами делителя частоты 23 на 2m и счетчиков 24 и 25 Джонсона, первый выход первого счетчика 24 Джонсона соединяется с первым входом первого элемента 26 “Исключающее ИЛИ”, второй выход первого счетчика 24 Джонсона соединяется с первым входом второго элемента 27 “Исключающее ИЛИ”, первый выход второго счетчика 25 Джонсона соединяется со вторым входом первого элемента 26 “Исключающее ИЛИ” и с входом первой дифференцирующей цепи 28 с ограничением по минимуму, второй выход второго счетчика 25 Джонсона соединяется с входом второй дифференцирующей цепи 29, третий выход второго счетчика 25 Джонсона соединяется со вторым входом второго элемента 27 “Исключающее ИЛИ” и с входом третьей дифференцирующей цепи 30 с ограничением по минимуму, четвертый выход второго счетчика 25 Джонсона соединяется с входом четвертой дифференцирующей цепи 31 с ограничением по минимуму, выход первого элемента 26 “Исключающее ИЛИ” соединяется с входом первого формирователя 32 напряжения пилообразной формы, выход второго элемента 27 “Исключающее ИЛИ” соединяется с входом второго формирователя 33 напряжения пилообразной формы, выход первого формирователя 32 напряжения пилообразной формы соединяется с входом первого формирователя 36 напряжения синусоидальной формы, два выхода которого являются первым и вторым выходами генератора 19, выход второго формирователя 33 напряжения пилообразной формы соединяется с входом второго формирователя 37 напряжения синусоидальной формы, два выхода которого являются пятым и шестым выходами генератора 19, выходы первой и второй дифференцирующих цепей 28 и 29 с ограничением по минимуму соединяются с входами первого элемента 34 ИЛИ, выход которого является третьим выходом генератора 19, выходы третьей и четвертой дифференцирующих цепей 30 и 31 с ограничением по минимуму соединяются с входами второго элемента 35 ИЛИ, выход которого является четвертым выходом генератора 19.Generator 19 (see FIG. 3) contains a master generator 20, a preset block 21, a frequency divider 22 into two, a frequency divider 23 by 2m, a first Johnson counter 24, a second Johnson counter 25, the first exclusive-OR element 26, and the second element 27 “Exclusive OR”, the first differentiating circuit 28 with a minimum limit, the second differentiating circuit 29 with a minimum minimum, the third differentiating circuit 30 with a minimum minimum, the fourth differentiating circuit 31 with a minimum minimum, the first sawtooth voltage shaper 32 s, the second sawtooth voltage driver 33, the first OR element 34, the second OR element 35, the first sinusoidal voltage driver 36 and the second sinusoidal voltage driver 37, the output of the driver 20 being connected to the input of the frequency divider 22 by two, the first output of the divider 22 frequency two is connected to the first input of the first Johnson counter 24, the second output of frequency divider 22 is connected to the first input of the frequency divider 23 by 2m, the output of which is connected to the first input of the second counter As Johnson 25, the first output of the preset 21 is connected to the second input of the frequency divider 22 by two, the second output of the preset 21 is connected to the second inputs of the frequency divider 23 by 2m and Johnson counters 24 and 25, the first output of the first Johnson counter 24 is connected to the first input the first exclusive-OR element 26, the second output of the first Johnson counter 24 is connected to the first input of the second exclusive-OR element 27, the first output of the second Johnson counter 25 is connected to the second input of the first Johnson counter LI ”and with the input of the first differentiating circuit 28 with a minimum restriction, the second output of the second Johnson counter 25 is connected to the input of the second differentiating circuit 29, the third output of the second Johnson counter 25 is connected to the second input of the second exclusive OR element 27 and with the input of the third differentiating circuit 30 with a minimum limit, the fourth output of the second Johnson counter 25 is connected to the input of the fourth differentiating circuit 31 with a minimum limit, the output of the first element 26 “Exclusive OR” is connected to the input of the first sawtooth voltage generator 32, the output of the second exclusive OR element 27 is connected to the input of the second sawtooth voltage generator 33, the output of the first sawtooth voltage generator 32 is connected to the input of the first sinusoidal voltage generator 36, the two outputs of which are the first and second outputs generator 19, the output of the second sawtooth voltage former 33 is connected to the input of the second sinusoidal voltage former 37, whose two outputs are the fifth and sixth outputs of the generator 19, the outputs of the first and second differentiating circuits 28 and 29 with a minimum restriction are connected to the inputs of the first OR element 34, the output of which is the third output of the generator 19, the outputs of the third and fourth differentiating circuits 30 and 31 with a restriction on minimum connected to the inputs of the second element 35 OR, the output of which is the fourth output of the generator 19.

В блоке 1 управления частотным сдвигом (см. фиг.2) соединенные между собой первые входы элементов 11 и 12 “Исключающее ИЛИ” являются входом частотного модулятора, на который подается входной модулирующий двоичный сигнал. Выходы ключей 15 и 16, соединенные между собой, являются первым выходом блока 1 управления частотным сдвигом, который соединяется со вторым входом первого перемножителя 2. Выходы ключей 17 и 18, соединенные между собой, являются вторым выходом блока 1 управления частотным сдвигом, который соединяется со вторым входом второго перемножителя 4. Шесть выходов генератора 19 соединяются с входами функциональных узлов блока 1 управления частотным сдвигом. При этом первый выход формирователя 36 напряжения синусоидальной формы соединяется со вторым входом ключа 15, второй выход формирователя 36 синусоидальной формы соединяется со вторым входом ключа 16, первый выход формирователя 37 напряжения синусоидальной формы соединяется со вторым входом ключа 18, второй выход формирователя 37 напряжения синусоидальной формы соединяется со вторым входом ключа 17, выход элемента 34 ИЛИ соединяется со вторым входом D-триггера 13, выход элемента 35 ИЛИ соединяется со вторым входом D-триггера 14.In the block 1 control the frequency shift (see figure 2) interconnected first inputs of the elements 11 and 12 “exclusive OR” are the input of the frequency modulator, which is fed with an input modulating binary signal. The outputs of the keys 15 and 16 connected to each other are the first output of the frequency shift control unit 1, which is connected to the second input of the first multiplier 2. The outputs of the keys 17 and 18, connected to each other, are the second output of the frequency shift control unit 1, which is connected to the second input of the second multiplier 4. Six outputs of the generator 19 are connected to the inputs of the functional units of the frequency shift control unit 1. In this case, the first output of the sinusoidal voltage generator 36 is connected to the second input of the switch 15, the second output of the sinusoidal generator 36 is connected to the second input of the switch 16, the first output of the sinusoidal voltage generator 37 is connected to the second input of the switch 18, the second output of the sinusoidal voltage generator 37 connected to the second input of the key 17, the output of the OR element 34 is connected to the second input of the D-trigger 13, the output of the OR element 35 is connected to the second input of the D-trigger 14.

Большинство функциональных узлов частотного модулятора с разделением спектра выполняются на ИМС: элементы 11, 12, 26 и 27 “Исключающее ИЛИ” - К155ЛП5, D-триггеры 13 и 14 - КР1533ТМ2, ключи 15...18 - КР590КН6, задающий генератор 20 - КР531ГГ1 по схеме фиг.4, блок 21 предустановки может быть выполнен по схеме фиг.5 на транзисторах КТ3102Г, делитель 22 частоты на два может быть выполнены на RSD-триггерах К1533ТМ2 по схеме фиг.6. Делитель частоты на 2m (где m - необходимый индекс частотной модуляции) может быть выполнен по схеме, представленной на рис.4.25-в в книге: Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ, пособие. - 3-е изд., перераб и доп. - М.: Радио и связь, 1989. 240 с., ил. Для случая m=5,5 схема делителя частоты на 2m представлена на фиг.7; входящие в эту схему элементы выполняются на ИМС: 4-разрядный счетчик СТ2 - К561ИЕ5, 3-входовой элемент И - К555ЛИ3, RS-триггер - К555ТР2. Схемы и работа этих элементов представлены в книге: Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. 2.-е изд., испр. - Челябинск: Металлургия, Челябинское отд., 1989. - 352 с.: ил. на рис.1.23 (с.40), на рис.1.53 (с.73) и рис.1.66 (с.88). Счетчик Джонсона выполняется на основе регистра сдвига с перекрестной связью. Принцип работы этих счетчиков и схема на основе 5-разрядного регистра представлены на с.134 и на рис.4.26 вышеприведенной книги Вениаминова В.Н. и др. Схема счетчика Джонсона на основе 2-разрядного счетчика, который используется в частотном модуляторе с m=5,5, представлена на фиг.8. В счетчике Джонсона 24 выходные сигналы снимаются с выходов Q₁ и Q₂, а в счетчике Джонсона 25 - с выходов Q₁, Q₂, Q₃ и Q₄. Дифференцирующие цепи 28...31 с ограничением по минимуму можно выполнить на RC-цепях с элементами И К1533ЛИ1 в качестве ограничителей по минимуму, устраняющих отрицательные импульсы на выходах дифференцирующих цепей (фиг.9). Двухвходовые элементы 34 и 35 ИЛИ - КР1533ЛЛ1. Схема формирователя напряжения пилообразной формы (ФНП) представлена на фиг.10; это устройство выполняется на интегрирующей RC-цепи с буферным усилителем на операционном усилителе, например, КР140УД8. Формирователь напряжения синусоидальной формы (ФНС) выполняется на основе схемы, представленной в книге: Граф Р. Электронные схемы: 1300 примеров: Пер. с англ. - M.: Мир, 1989, 688 с., ил., с.618. Схема формирователя напряжения синусоидальной формы представлена на фиг.11; с выходов усилителей, входящих в состав формирователя, снимаются прямой и инверсный сигналы (S₁ и S₃ или S₂ и S₄).Most of the functional units of the frequency modulator with spectrum splitting are performed on the IMS: elements 11, 12, 26 and 27 “Exclusive OR” - K155LP5, D-flip-flops 13 and 14 - KR1533TM2, keys 15 ... 18 - KR590KN6, master oscillator 20 - KR531GG1 according to the scheme of FIG. 4, the preset unit 21 can be performed according to the scheme of FIG. 5 on KT3102G transistors, the frequency divider 22 into two can be performed on K1533TM2 RSD triggers according to the scheme of FIG. 6. The frequency divider by 2m (where m is the required index of frequency modulation) can be performed according to the scheme shown in Fig. 4.25-c in the book: Veniaminov V.N., Lebedev O.N., Miroshnichenko A.I. Chips and their application: Reference, manual. - 3rd ed., Revised and add. - M .: Radio and communications, 1989.240 s., Ill. For the case m = 5.5, the scheme of the frequency divider by 2m is shown in Fig.7; The elements included in this circuit are performed on the IC: 4-bit counter ST2 - K561IE5, 3-input element I - K555LI3, RS-trigger - K555TP2. Schemes and the work of these elements are presented in the book: Shilo V.L. Popular Digital Chips: A Guide. 2nd ed., Rev. - Chelyabinsk: Metallurgy, Chelyabinsk Department., 1989. - 352 pp., Ill. in fig.1.23 (p.40), in fig.1.53 (p.73) and fig.1.66 (p.88). A Johnson counter is based on a cross-register shift register. The principle of operation of these counters and the scheme based on the 5-bit register are presented on p.134 and Fig. 4.26 of the above book by V.N. Veniaminov et al. A Johnson counter circuit based on a 2-bit counter, which is used in a frequency modulator with m = 5.5, is shown in Fig. 8. In the Johnson counter 24, the output signals are taken from the outputs Q ₁ and Q ₂ , and in the Johnson counter 25, from the outputs Q ₁ , Q ₂ , Q ₃ and Q ₄ . Differentiating circuits 28 ... 31 with a minimum limit can be performed on RC circuits with elements And K1533LI1 as minimum limiters, eliminating negative pulses at the outputs of the differentiating circuits (Fig.9). Two-input elements 34 and 35 OR - KR1533LL1. The diagram of the sawtooth voltage shaper (FNP) is presented in figure 10; this device is performed on an integrating RC circuit with a buffer amplifier on an operational amplifier, for example, KR140UD8. The sinusoidal voltage generator (FTS) is based on the circuit presented in the book: Count R. Electronic circuits: 1300 examples: Per. from English - M .: Mir, 1989, 688 p., Ill., P. 618. A sine wave voltage driver circuit is shown in FIG. 11; direct and inverse signals (S ₁ and S ₃ or S ₂ and S ₄ ) are taken from the outputs of the amplifiers that make up the shaper.

Работа частотного модулятора с разделением спектра осуществляется следующим образом. Генератор 19 (фиг.3) формирует четыре последовательности отрезков синусоиды частотой mπ/Т₀ с взаимным фазовым сдвигом π/4 и две последовательности тактовых импульсов, определенным образом сфазированных относительно этих отрезков синусоиды. Временные диаграммы сигналов в генераторе 19 представлены на фиг.12. Диаграммы построены для случая, когда обеспечивается индекс частотной манипуляции m=5,5. Задающий генератор 20 формирует сигнал в форме меандра, частота которого связана с длительностью Т₀ посылок модулирующего сигнала соотношением: f_г=4m/T₀. Из этого сигнала делитель 22 частоты на два формирует меандр частотой f_:2=2m/T₀. Форма этого напряжения показана на фиг.12 (u₂₂). Делитель 23 частоты на 2m срабатывает от отрицательных фронтов входного меандра, и для обеспечения синфазности срабатывания счетчиков 24 и 25 Джонсона сигнал на вход делителя 23 частоты подается с инверсного выхода делителя 22. Форма сигнала на выходе делителя 23 частоты на 2m=11 показана на фиг.12 (u₂₃). Частота следования этих импульсов равна (2_m/T₀)/2m=1/T₀.The work of the frequency modulator with separation of the spectrum is as follows. Generator 19 (FIG. 3) generates four sequences of segments of a sine wave with frequency mπ / T ₀ with a mutual phase shift π / 4 and two sequences of clock pulses phased in a certain way relative to these segments of a sinusoid. Timing diagrams of the signals in the generator 19 are presented in Fig.12. The diagrams are constructed for the case when the index of frequency manipulation m = 5.5 is provided. The master oscillator 20 generates a signal in the form of a meander, the frequency of which is associated with the duration T _{0 of the} sending of the modulating signal by the ratio: f _g = 4m / T ₀ . From this signal, a frequency divider 22 into two forms a meander with a frequency f _{: 2} = 2m / T ₀ . The shape of this voltage is shown in FIG. 12 (u ₂₂ ). A frequency divider 23 by 2m is triggered by the negative edges of the input square wave, and to ensure that the counters 24 and 25 Johnson are in phase, the signal to the input of the frequency divider 23 is supplied from the inverse output of the divider 22. The waveform at the output of the frequency divider 23 by 2m = 11 is shown in FIG. 12 (u ₂₃ ). The repetition rate of these pulses is (2 _m / T ₀ ) / 2m = 1 / T ₀ .

На выходах счетчика 24 Джонсона получаются сигналы частотой m/(2Т₀), имеющие взаимный фазовый сдвиг π/2 (см. фиг.12, U_24-1 и u_24-2), а на выходах счетчика 25 Джонсона - сигналы частотой 1/4Т₀. Длительность посылок на выходах счетчика 25 Джонсона равна 2Т₀.At the outputs of Johnson counter 24, signals of frequency m / (2T ₀ ) are obtained, having a mutual phase shift π / 2 (see Fig. 12, U _24-1 and u _24-2 ), and at the outputs of counter 25 of Johnson, signals with frequency 1 / 4T ₀ . The duration of the parcels at the outputs of the Johnson counter 25 is 2T ₀ .

Напряжения с выходов элементов 26 и 27 “Исключающее ИЛИ” подаются на формирователи 32 и 33 напряжения пилообразной формы. Полученные на выходах этих формирователей напряжения имеют форму, показанную на диаграммах u₃₂ и u₃₃ фиг.12. После сглаживания этих напряжений в формирователях 36 и 37 напряжения синусоидальной формы получаются напряжения, форма которых показана на диаграммах u_36-1, u_36-2, u_37-1 и u_37-2 фиг.12. Эти напряжения представляют собой периодические последовательности отрезков синусоиды длительностью 2Т₀, на которых размещаются 2m полупериодов колебаний частотой mπ/Т₀. Эти колебания имеют взаимный фазовый сдвиг π/2.The voltage from the outputs of the elements 26 and 27 “Exclusive OR” is supplied to the formers 32 and 33 sawtooth voltage. Obtained at the outputs of these voltage shapers have the form shown in the diagrams u ₃₂ and u ₃₃ Fig.12. After smoothing out these voltages in the sinusoidal voltage _generators 36 and 37, voltages are obtained, the form of which is shown in diagrams u _36-1 , u _36-2 , u _37-1 and u _{37-2 of} Fig. 12. These voltages are periodic sequences of segments of a sinusoid with a duration of 2T ₀ , on which 2m half-periods of oscillations with a frequency of mπ / T ₀ are placed. These oscillations have a mutual phase shift π / 2.

Путем дифференцирования сигналов с выходов счетчика 25 Джонсона и сложения полученных импульсов в элементах 34 и 35 ИЛИ получаются две последовательности тактовых импульсов (диаграммы ТИ1 и ТИ2), имеющих необходимое временное положение относительно сигналов на выходах формирователей напряжения синусоидальной формы.By differentiating the signals from the outputs of the Johnson counter 25 and adding up the received pulses in the elements 34 and 35 OR, two sequences of clock pulses (diagrams TI1 and TI2) are obtained that have the necessary temporary position relative to the signals at the outputs of the voltage conditioners of a sinusoidal shape.

Блок 21 предустановки, схема которого показана на фиг.5, вместе с делителем 22 частоты на два обеспечивают синхронизацию первоначального срабатывание делителя 23 частоты и счетчиков 24 и 25 Джонсона и необходимое взаимное расположение выходных сигналов генератора на оси времени в процессе работы. Это обеспечивается следующим образом. При включении питания заряжаются конденсаторы в базовых цепях транзисторов (фиг.5). Постоянная времени цепи заряда второго конденсатора меньше, чем первого, и заданный уровень положительного напряжения на выходе второго транзистора появляется раньше, чем первого. Напряжение с выхода второго транзистора поступает на входы R триггеров в делителе 23 частоты и в счетчиках Джонсона и устанавливает эти триггеры в одинаковое (нулевое) исходное состояние. После этого заданный уровень выходного напряжения появляется на выходе первого транзистора, это напряжение подается на вход R делителя 22 частоты на два и обеспечивает его рабочий режим (режим деления частоты). Первые же положительные перепады напряжения на выходах этого делителя обеспечат переключение триггеров в делителе 23 частоты и в счетчиках 24 и 25 Джонсона, т.е. синхронизм работы этих устройств.The preset block 21, the circuit of which is shown in Fig. 5, together with the frequency divider 22 into two, ensures synchronization of the initial operation of the frequency divider 23 and Johnson counters 24 and 25 and the necessary relative position of the generator output signals on the time axis during operation. This is provided as follows. When you turn on the power, the capacitors are charged in the base circuits of the transistors (figure 5). The time constant of the charge circuit of the second capacitor is less than the first, and the specified level of positive voltage at the output of the second transistor appears earlier than the first. The voltage from the output of the second transistor goes to the inputs of the R triggers in the frequency divider 23 and in Johnson counters and sets these triggers in the same (zero) initial state. After that, a given level of output voltage appears at the output of the first transistor, this voltage is supplied to the input R of the frequency divider 22 into two and ensures its operating mode (frequency division mode). The first positive voltage drops at the outputs of this divider will ensure the switching of triggers in the frequency divider 23 and in Johnson's counters 24 and 25, i.e. synchronism of the operation of these devices.

Блок 1 управления частотным сдвигом (фиг.2), на вход которого поступает модулирующий сигнал (осциллограмма u_вх на фиг.13), формирует на своих выходах последовательности отрезков синусоиды частотой mπ/Т₀, где m - необходимый индекс модуляции, Т₀ - длительность посылок модулирующего сигнала (осциллограммы u_15-16и u_17-18на фиг.13). Рассмотрим принцип формирования этих напряжений, пользуясь временными диаграммами фиг.13. Для этого предположим, что в первый тактовый момент времени начинает действовать первая (единичная) посылка модулирующего сигнала и от генератора поступает тактовый импульс ТИ1 (фиг.13). В момент действия тактового импульса ТИ1 изменяется состояние D-триггера 13. В этот момент времени триггер устанавливается в состояние, определяющееся напряжением u₁₁ на выходе элемента 11 “Исключающее ИЛИ”, а это напряжение, в свою очередь, определяется входным сигналом и напряжением u_14-2, действующим на инверсном выходе триггера 14. Предположим, что напряжение u_14-2 на интервале первой посылки было нулевым (фиг.13). При этом на входах элемента 11 действуют различные посылки (нулевая и единичная), следовательно, на выходе этого элемента сформируется единичная посылка. Это единичное напряжение в момент действия первого импульса ТИ1 перепишется на первый выход триггера 13 и откроет ключ 15. Напряжение S₁, действующее на входе ключа, поступит на его выход, т.е. на первый выход блока управления (осциллограмма u_15-16 фиг.13). При нулевом состоянии второго (инверсного) выхода D-триггера 14 первый (прямой) выход этого триггера находится в единичном состоянии, т.е. u_14-1=1. Это напряжение действует на первый вход ключа 15. Этот ключ открывается, и сигнал 82 с выхода генератора поступает на вход ключа. Таким образом, в первый тактовый интервал на первом выходе блока 1 управления частотным сдвигом действует сигнал S₁, а на втором выходе - сигнал S₂.Block 1 frequency offset control (2), the input of which receives the modulating signal (waveform u _Rin 13), generates at its outputs sequences of segments sinusoid frequency mπ / T _0, where m - the desired modulation index, T ₀ - the duration of the modulating signal (waveforms u _15-16 and u _17-18 in Fig.13). Consider the principle of the formation of these stresses, using the time diagrams of Fig.13. To do this, suppose that at the first clock point in time, the first (single) sending of the modulating signal begins to act and the clock pulse TI1 comes from the generator (Fig. 13). At the time of the TI1 clock pulse, the state of the D-trigger 13 changes. At this time, the trigger is set to a state determined by the voltage u ₁₁ at the output of the exclusive-OR element 11, and this voltage, in turn, is determined by the input signal and voltage u _{14 -2} , acting on the inverse output of trigger 14. Assume that the voltage u _14-2 in the interval of the first package was zero (Fig.13). At the same time, different premises (zero and one) act on the inputs of element 11, therefore, a single premise will be formed at the output of this element. This unit voltage at the time of the first pulse TI1 will be rewritten to the first output of the trigger 13 and open the key 15. The voltage S ₁ acting on the input of the key will go to its output, i.e. to the first output of the control unit (waveform u _15-16 Fig.13). In the zero state of the second (inverse) output of the D-trigger 14, the first (direct) output of this trigger is in a single state, i.e. u _14-1 = 1. This voltage acts on the first input of the key 15. This key is opened, and the signal 82 from the output of the generator is supplied to the input of the key. Thus, in the first clock interval, the signal S ₁ acts on the first output of the frequency shift control unit ₁ , and the signal S ₂ acts on the second output.

Во второй тактовый момент действует импульс ТИ2. Этот импульс действует на D-триггер 14 и обновляет его состояние; состояние D-триггера 13 во втором тактовом интервале остается таким же, как и в первом интервале, т.е. единичное состояние. Таким образом, на входах элемента 14 “Исключающее ИЛИ” действуют единичные напряжения: на первом входе - входная посылка, на втором входе - с первого выхода D-триггера 13. Следовательно, на выходе элемента 12 будет действовать нулевая посылка. Во второй тактовый момент эта посылка перепишется на первый выход D-триггера 14. При этом u_14-1=0, u_14-2=1. Единичным напряжением u_14-2 откроется ключ 18, через который от генератора 19 на второй выход блока 1 поступит напряжение S₄. На первом выходе блока 1 будет продолжать действовать сигнал S₁.In the second clock moment, the pulse TI2 is applied. This pulse acts on the D-trigger 14 and updates its state; the state of the D-trigger 13 in the second clock interval remains the same as in the first interval, i.e. single state. Thus, unit voltages operate at the inputs of element 14 “Exclusive OR”: at the first input, an input package, at the second input, from the first output of the D-trigger 13. Therefore, at the output of element 12, a zero package will act. At the second clock moment, this package will be rewritten to the first output of the D-trigger 14. Moreover, u _14-1 = 0, u _14-2 = 1. A unit voltage u _14-2 opens the key 18, through which from the generator 19 to the second output of the unit 1 receives the voltage S ₄ . At the first output of block 1, the signal S ₁ will continue to operate.

В начале третьего тактового интервала импульсом ТИ1 изменится состояние первого выхода блока 1 управления частотным сдвигом; состояние второго выхода блока 1 не изменится - здесь по-прежнему будет действовать сигнал S₄. При этом в 3-м интервале на первом входе элемента 11 действует нулевая посылка модулирующего сигнала, на втором входе - единичная посылка u_14-2, на выходе элемента 11 образуется единичное напряжение, в 3-й тактовый момент оно перепишется на первый выход D-триггера 13, этим напряжением откроется ключ 15, и на первый выход блока 1 управления частотным сдвигом поступит сигнал S₁.At the beginning of the third clock interval, the pulse TI1 changes the state of the first output of the frequency shift control unit 1; the state of the second output of block 1 will not change - here the signal S ₄ will still act. At the same time, in the 3rd interval, at the first input of element 11, the zero sending of the modulating signal acts, at the second input - a single package u _14-2 , at the output of element 11 a unit voltage is generated, at the 3rd clock moment it will be rewritten to the first output D- trigger 13, this voltage opens the key 15, and the first output of the unit 1 control the frequency shift receives the signal S ₁ .

Продолжая аналогичные рассуждения, получим форму напряжений на выходах функциональных узлов блока 1, соответствующую осциллограммам на фиг.13. Анализ показывает, что состояние выходов блока 1 не зависит от первоначального состояния D-триггеров 13 и 14.Continuing similar reasoning, we obtain the form of voltages at the outputs of the functional units of block 1, corresponding to the oscillograms in Fig. 13. The analysis shows that the state of the outputs of block 1 does not depend on the initial state of the D-flip-flops 13 and 14.

Посылки сигналов на выходах блока 1 управления частотным сдвигом имеют длительность 2Т₀ и взаимно смещены на Т₀ - так же, как в модуляторе MSK. Фазы этих синусоид могут изменяться на π в зависимости от посылки (0 или 1), действующей на входе модулятора, однако фазовый сдвиг между этими колебаниями в любой момент времени составляет ± π/2. Учитывая первоначальный фазовый сдвиг между напряжениями частотой mπ/Т₀ на выходах блока 1 управления частотным сдвигом, равный π/2, фазы напряжения на первом выходе блока управления принимают в процессе модуляции значения 0 или π, а фазы напряжения на втором выходе - значения π/2 или 3π/2. Таким образом, напряжения на выходах блока управления частотным сдвигом можно записать следующим образом:The sending signals at the outputs of the frequency shift control unit 1 have a duration of 2T ₀ and are mutually offset by T ₀ - the same as in the MSK modulator. The phases of these sinusoids can vary by π depending on the package (0 or 1) acting at the input of the modulator, however, the phase shift between these oscillations at any time is ± π / 2. Given the initial phase shift between voltages of frequency mπ / T ₀ at the outputs of the frequency shift control unit 1, equal to π / 2, the voltage phases at the first output of the control unit take 0 or π values during the modulation process, and the voltage phases at the second output take π / 2 or 3π / 2. Thus, the voltage at the outputs of the frequency shift control unit can be written as follows:

u₁=±asin(mπt/T₀), u₂=±acos(mπt/T₀).u ₁ = ± asin (mπt / T ₀ ), u ₂ = ± acos (mπt / T ₀ ).

В отличие от модулятора MSK данный модулятор формирует посылки синусоидальной формы, имеющие не один, а 2m полупериодов на интервале их длительности. Это преобразование прямоугольных входных посылок в синусоидальные посылки обеспечивает необходимый (сколь угодно большой) индекс модуляции выходного сигнала модулятора. Кроме того, блок 1 управления частотным сдвигом обеспечивает прямое соответствие между напряжением входной модулирующей посылки и частотой выходного напряжения модулятора. Это наглядно демонстрируют временные диаграммы сигналов на фиг.13.Unlike the MSK modulator, this modulator generates sinusoidal waveforms having not one but 2m half-periods in the interval of their duration. This conversion of rectangular input blocks to sinusoidal blocks provides the necessary (arbitrarily large) modulation index of the modulator output signal. In addition, the frequency shift control unit 1 provides a direct correspondence between the voltage of the input modulating package and the frequency of the output voltage of the modulator. This is clearly demonstrated by the timing diagrams of the signals in FIG. 13.

Если сигналы с первого и второго выходов блока 1 управления частотным сдвигом подать на амплитудно-фазовые модуляторы (АФМ) соответственно 6 и 8 (минуя перемножители 2 и 4), то получим высокочастотные сигналы с амплитудной и фазовой модуляцией, показанные на временных диаграммах u₆ и u₈ фиг.13. Посылки этих сигналов можно представить следующим образом:If the signals from the first and second outputs of the frequency shift control unit 1 are applied to the amplitude-phase modulators (AFM) 6 and 8, respectively (bypassing the multipliers 2 and 4), then we obtain the high-frequency signals with amplitude and phase modulation shown in the time diagrams u ₆ and u ₈ Fig. 13. The sendings of these signals can be represented as follows:

где ω₀ - частота несущего колебания, поступающего от генератора 9.where ω ₀ is the frequency of the carrier oscillation coming from the generator 9.

Фаза в.ч. посылок напряжения u₆ принимает значения 0 или к в зависимости от знака полуволны напряжения на первом входе амплитудно-фазового модулятора 6, а фаза напряжения u₈ принимает значения π/2 или 3π/2 в зависимости от знака полуволны напряжения на первом входе амплитудно-фазового модулятора 8. Такое различие фаз напряжений определяется сдвигом фазы на π/2 несущего колебания, поступающего от генератора 9, в фазовращателе 7.H.phase Parcel voltage u ₆ has the value 0 or, depending on the sign of the half-wave voltage at the first input of the amplitude-phase modulator 6 and the phase of the voltage u ₈ takes the values π / 2 or 3π / 2 depending on the voltage half-wave plate at the first input of the amplitude-phase modulator 8. Such a difference in the phases of the voltages is determined by the phase shift by π / 2 of the carrier wave coming from the generator 9 in the phase shifter 7.

При сложении сигналов u₆ и u₈ в сумматоре 10 получим выходное напряжение модулятора:When adding the signals u ₆ and u ₈ in the adder 10, we obtain the output voltage of the modulator:

Амплитуда U_вых(t) выходного напряжения модулятора постоянна (отсутствует AM), т.к.The amplitude U _o (t) of the output voltage of the modulator is constant (no AM), because

Переменная составляющая фазы Δφ выходного напряжения, обусловленная модуляцией, определится:The variable phase component Δφ of the output voltage, due to the modulation, is determined:

Из этого равенства видно, что на интервале посылки фаза выходного напряжения линейно изменяется во времени (увеличивается или уменьшается). На интервале посылки (t=Т₀) изменение фазы составит ±mπ. Переменная составляющая фазы выходного напряжения модулятора представлена на фиг.13 (временная диаграмма Δφ). На этой временной диаграмме расстояние между соседними горизонтальными линиями соответствует изменению фазы Δφ=π/2.From this equality it can be seen that on the interval of sending the phase of the output voltage varies linearly in time (increases or decreases). On the sending interval (t = T ₀ ), the phase change will be ± mπ. The variable phase component of the output voltage of the modulator is shown in FIG. 13 (timing diagram Δφ). In this time diagram, the distance between adjacent horizontal lines corresponds to a phase change Δφ = π / 2.

Переменная составляющая частоты Δω(t) или Δf(t) выходного сигнала определится:The variable frequency component Δω (t) or Δf (t) of the output signal is determined:

Таким образом, отклонение частоты от значения ω₀ на интервале посылки не зависит от времени. Это значит, что девиация частоты выходного напряжения составляет: f_д=m/2Т₀.Thus, the frequency deviation from the value of ω ₀ on the sending interval is independent of time. This means that the frequency deviation of the output voltage is: f _d = m / 2T ₀ .

Такая девиация частоты действительно соответствует индексу модуляции, равному m:Such a frequency deviation really corresponds to a modulation index of m:

Форма переменной составляющей частоты выходного сигнала модулятора для частного случая, когда не учитывается работа перемножителей 2 и 4, показана на фиг.13 (временная диаграмма f_вых).The shape of the variable component of the frequency of the output signal of the modulator for a special case when the operation of the multipliers 2 and 4 is not taken into account is shown in Fig. 13 (timing diagram f _o ).

При достаточно больших индексах модуляции спектр сигнала состоит из двух частей, симметрично расположенных на оси частот относительно несущей частоты ω₀. Однако спектр каждой части содержит боковые лепестки, число которых увеличивается по мере увеличения индекса модуляции. Это приводит к расширению занимаемой сигналом полосы частот.For sufficiently large modulation indices, the signal spectrum consists of two parts symmetrically located on the frequency axis with respect to the carrier frequency ω ₀ . However, the spectrum of each part contains side lobes, the number of which increases as the modulation index increases. This leads to the expansion of the frequency band occupied by the signal.

Для уменьшения полосы частот, занимаемой выходным сигналом, используются перемножители 2 и 4 (фиг.1). В этих перемножителях осуществляется умножение сигналов u_15-16 и u_17-18 на сглаживающие напряжения, формируемые генератором 5 и фазовращателем 3. Эти напряжения имеют форму периодической последовательности положительных полуволн синусоиды частотой π/2Т₀. Длительность этих полуволн равна 2Т₀, причем полуволны напряжений, поступающих на первые входы перемножителей 2 и 4, взаимно смещены на Т₀. Границы полуволн совпадают с границами посылок, поступающих на вторые входы перемножителей 2 и 4. В результате перемножения форма огибающих посылок сигналов в синфазном и квадратурном каналах соответствует полуволнам синусоиды. На фиг.14 показана форма напряжений на выходах блока 1 управления частотным сдвигом (u_15-16 и u_17-18, осциллограммы 1 и 2 сверху), на выходах перемножителей 2 и 4 (u₂ и u₄, осциллограммы 3 и 4 сверху) и на выходах амплитудно-фазовых модуляторов 6 и 8 (u₆ и u₈, осциллограммы 5 и 6 сверху); осциллограммы рассчитаны с помощью MathCad. На этих временных диаграммах по оси абсцисс отложена величина х=t/T₀ - нормированное время.To reduce the frequency band occupied by the output signal, multipliers 2 and 4 are used (Fig. 1). In these multipliers, the signals u _15-16 and u _17-18 are multiplied by the smoothing voltages generated by the generator 5 and the phase shifter 3. These voltages have the form of a periodic sequence of positive half-waves of a sine wave with a frequency of π / 2Т ₀ . The duration of these half-waves is 2T ₀ , and half-waves of voltages supplied to the first inputs of multipliers 2 and 4 are mutually offset by T ₀ . The half-wave boundaries coincide with the boundaries of the packets arriving at the second inputs of the multipliers 2 and 4. As a result of the multiplication, the shape of the envelopes of the signal packets in the in-phase and quadrature channels corresponds to the half-waves of the sine wave. On Fig shows the voltage form at the outputs of the frequency shift control unit 1 (u _15-16 and u _17-18 , waveforms 1 and 2 above), at the outputs of the multipliers 2 and 4 (u ₂ and u ₄ , waveforms 3 and 4 from the top ) and at the outputs of the amplitude-phase modulators 6 and 8 (u ₆ and u ₈ , oscillograms 5 and 6 above); waveforms calculated using MathCad. In these time diagrams, the abscissa shows the value x = t / T ₀ - normalized time.

Временная функция выходного напряжения модулятора определяется уравнением:The time function of the output voltage of the modulator is determined by the equation:

Входящие в эту формулу величины были определены выше.The values included in this formula were determined above.

Благодаря действию перемножителей 2 и 4 боковые лепестки на спектральной характеристике выходного сигнала модулятора отсутствуют, каждая часть спектра приобретает форму такую же, как форма спектра сигнала MSK. Следует, однако, отметить, что перемножение сигнала и сглаживающих напряжений в перемножтелях 2 и 4 дает и нежелательный эффект: появляется сопутствующая амплитудная модуляция и искажается форма сигнала f_вых, показанного на фиг.13. Спектральные характеристики выходных ЧМ сигналов с индексами модуляции m=0,5, m=5,5 и m=10,5, рассчитанные с помощью MathCad, показаны на фиг.15. На этих характеристиках по оси абсцисс отложены значения k:Due to the action of multipliers 2 and 4, there are no side lobes on the spectral characteristic of the output signal of the modulator; each part of the spectrum acquires the same shape as the spectrum shape of the MSK signal. However, it should be noted that the multiplication of the signal and the smoothing voltages in the multipliers 2 and 4 gives an undesirable effect: there is a concomitant amplitude modulation and the waveform f _o , shown in Fig. 13, is distorted. The spectral characteristics of the output FM signals with modulation indices m = 0.5, m = 5.5 and m = 10.5, calculated using MathCad, are shown in Fig. 15. On these characteristics, the values of k are plotted along the abscissa:

k=F·T₀=F/V,k = F · T ₀ = F / V,

где k - нормированная частотная расстройка относительно несущей частоты;where k is the normalized frequency detuning relative to the carrier frequency;

F - абсолютная частотная расстройка относительно несущей частоты;F is the absolute frequency detuning relative to the carrier frequency;

Т₀ - длительность посылки входного модулирующего сигнала;T ₀ - the duration of sending the input modulating signal;

V - скорость передачи сигнала.V is the signal transmission rate.

Из фиг.15 видно, что спектр сигнала при m=5,5 и m=10,5 разделен на две одинаковые части, симметрично расположенные относительно несущей частоты, причем при m=10,5 расстояние между этими частями спектра больше, чем при m=5,5. Таким образом, по мере увеличения или уменьшения индекса модуляции расстояние между частями спектра соответственно увеличивается или уменьшается, однако форма этих частей спектральной характеристики выходного сигнала не изменяется. Соответственно не изменяется ширина полосы частот, занимаемая сигналом. Общая ширина полосы частот, занимаемая выходным сигналом модулятора при индексах модуляции m≥1,5, равна удвоенной ширине спектра сигнала ММС.From Fig. 15 it can be seen that the signal spectrum at m = 5.5 and m = 10.5 is divided into two identical parts symmetrically located relative to the carrier frequency, and at m = 10.5, the distance between these parts of the spectrum is greater than at m = 5.5. Thus, as the modulation index increases or decreases, the distance between the parts of the spectrum increases or decreases accordingly, however, the shape of these parts of the spectral characteristics of the output signal does not change. Accordingly, the bandwidth occupied by the signal does not change. The total bandwidth occupied by the modulator output signal with modulation indices m≥1.5 is equal to twice the spectrum width of the MMS signal.

Claims

1. The frequency modulator with separation of the spectrum, containing two multipliers, two phase shifters, a voltage-generating generator, two amplitude-phase modulators, a carrier generator and an adder, and the output of the smoothing voltage generator is connected to the first input of the first multiplier and through the first phase shifter to the first input of the second multiplier, the output of the first multiplier is connected to the first input of the first amplitude-phase modulator, the output of the second multiplier is connected to the first input of the second amplitude-ph modulator, the output of the carrier generator is connected to the second input of the first amplitude-phase modulator and through the second phase shifter to the second input of the second amplitude-phase modulator, the outputs of the first and second amplitude-phase modulators are connected respectively to the first and second inputs of the adder, the output of which is the output frequency modulator with division of the spectrum, characterized in that it includes a frequency shift control unit, the input of which is the input of the frequency modulator with division spectrum, the first output of the frequency offset control unit connected to the second input of the first multiplier, and the second output frequency shift control unit is connected to a second input of the second multiplier.

2. The frequency modulator according to claim 1, characterized in that the frequency shift control unit contains two exclusive OR elements, two D-flip-flops, four keys and a generator, and the first inputs of the exclusive OR elements are interconnected and are the input of the frequency shift control unit, the output of the first exclusive-OR element is connected to the first input of the first D-trigger, the output of the second exclusive-OR element is connected to the first input of the second D-trigger, the second inputs of the first and second D-triggers are connected to the third and the fourth output of the generator, the first output of the first D-trigger is connected to the first input of the first key and to the second input of the second exclusive-OR element, the second output of the first D-trigger is connected to the first input of the second key, the first output of the second D-trigger is connected to the first input of the third key, the second output of the second D-trigger is connected to the first input of the fourth key and to the second input of the first XOR element, the first and second outputs of the generator are connected respectively to the second input of the first key and the second input the second key, the 5th and 6th outputs of the generator are connected respectively to the second input of the third key and the second input of the fourth key, the outputs of the first and second keys are connected to each other and form the first output of the frequency shift control unit, the outputs of the third and fourth keys are connected to each other and form the second output of the frequency shift control unit.

3. The frequency modulator according to claim 2, characterized in that the generator comprises a master oscillator, a preset unit, a frequency divider by two, a frequency divider by 2m, two Johnson counters, two exclusive OR elements, four differentiating circuits with a minimum limit, two shapers sawtooth voltage, two OR elements and two sinusoidal voltage drivers, the output of the master oscillator being connected to the input of the frequency divider by two, the first output of the frequency divider by two connected to the first input of the first Johnson counter, the second output of the frequency divider by two is connected to the first input of the frequency divider by 2m, the output of which is connected to the first input of the second Johnson counter, the first output of the preset unit is connected to the second input of the frequency divider by two, the second output of the preset is connected to the second inputs of the divider frequency at 2m and both Johnson counters, the first output of the first Johnson counter connects to the first input of the first XOR element, the second output of the first Johnson counter connects to the first input the house of the second exclusive-OR element, the first output of the second Johnson counter is connected to the second input of the first exclusive-OR element and to the input of the first differentiating circuit with a minimum restriction, the second output of the second Johnson counter is connected to the input of the second differentiating circuit, the third output of the second Johnson counter is connected to the second the input of the second XOR element and with the input of the third differentiating circuit with a minimum restriction, the fourth output of the second Johnson counter is connected to the input of the fourth the differentiating circuit with a minimum restriction, the output of the first exclusive-OR element is connected to the input of the first sawtooth voltage generator, the output of the second exclusive-OR element is connected to the input of the second sawtooth voltage generator, the output of the first sawtooth voltage generator is connected to the input of the first sinusoidal voltage generator , whose two outputs are the first and second outputs of the generator, the output of the second sawtooth voltage shaper the frame is connected to the input of the second sinusoidal voltage former, the two outputs of which are the fifth and sixth outputs of the generator, the output of the first and second differentiating circuits with a minimum restriction are connected to the inputs of the first OR element, the output of which is the third output of the generator, the output of the third and fourth differentiating circuits with a minimum restriction are connected to the inputs of the second OR element, the output of which is the fourth output of the generator.