RU2259632C1

RU2259632C1 - Method of the frequency band division of a transmitted signal and device for its realization

Info

Publication number: RU2259632C1
Application number: RU2004108237/09A
Authority: RU
Inventors: А.А. Волков (RU); А.А. Волков
Original assignee: Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2005-08-27

Abstract

FIELD: signal transmission.

SUBSTANCE: the essence of proposed method of the frequency band division of a transmitted signal consists in the following: 1) the sum of one-band oscillation and its envelope are multiplied indirectly with unequally polar rectangular pulses; 2) the multiplication signal is coherently detected. In this case the frequency band decreases by two times. The device has a transmitted signal source, one-band oscillation shaper, envelope separator, adder of one-band oscillation and its envelope, 90° phase shifter, amplifier-amplitude limiter, differentiating circuit, trigger, member for exclusion of the constant component, signal multiplier, coherent detector and frequency divider by two times.

EFFECT: quality increase and decrease of the frequency band of a transmitted signal without loss of information.

2 cl, 2 dwg

Description

Известны способы деления полосы частот передаваемого сигнала и устройства для их осуществления, которые описаны в различных источниках, например, в:Known methods of dividing the frequency band of the transmitted signal and device for their implementation, which are described in various sources, for example, in:

1. А.С. 1506506 (СССР), МПК Н 03 С 1/52. Формирователь однополосного сигнала /А.А.Волков. Приоритет от 10.02.87.1. A.S. 1506506 (USSR), IPC Н 03 С 1/52. Shaper of a single-band signal / A.A. Volkov. Priority from 10.02.87.

2. Патент 1508831 (Англия), МПК Н 04 В 1/66 от 26.04.78.2. Patent 1508831 (England), IPC Н 04 В 1/66 dated 04/26/78.

3. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов. радио, 1967, ч.2. - С.174-180.3. Gonorovsky I.S. Radio circuits and signals. M .: Sov. Radio, 1967, part 2. - S. 174-180.

По технической сущности наиболее близким к изобретению являются способ и устройство, описанные в первом источнике, которые по этой причине и принимаются за его прототип.By technical nature, the closest to the invention are the method and device described in the first source, which for this reason are taken for its prototype.

Способ-прототип состоит из формирователя по передаваемому низкочастотному (н.ч.) сигналу однополосного (в.ч.) колебания, из которого выделяется огибающая и складывается с ним, а из этой суммы извлекается корень квадратный для получения однополярных полусинусоид одного знака и отдельно другого знака, из которых методом коммутации формируется однополосный сигнал с разделенной пополам полосой и несущей частотой. Управляющий сигнал коммутации формируется из однополосного колебания, которое сдвигается по фазе на 90°, усиливается-ограничивается по амплитуде, дифференцируется по времени и отрицательными короткими импульсами, полученными при дифференцировании, формируются с помощью триггера прямоугольные управляющие импульсы, длительность которых равна периоду однополосного сигнала.The prototype method consists of a driver based on the transmitted low-frequency (n.a.) signal of a single-band (h.p.) oscillation, from which the envelope is extracted and added to it, and the square root is extracted from this sum to obtain unipolar half-sinusoids of one sign and separately another sign from which a single-band signal with a half-band and a carrier frequency is formed by the switching method. The switching control signal is formed from a single-band oscillation, which is phase-shifted by 90 °, amplified-limited in amplitude, differentiated by time and negative short pulses obtained during differentiation, rectangular control pulses are generated using a trigger, the duration of which is equal to the period of a single-band signal.

Устройство-прототип состоит из последовательно соединенных источника передаваемого сигнала, формирователя однополосного колебания, выделителя из него огибающей, сумматора огибающей и однополосного колебания, блока извлечения корня квадратного, фазоинвертора, фазового модулятора коммутационного типа, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя однополосного сигнала через последовательно включенные триггер, дифференцирующую цепочку, усилитель-ограничитель амплитуды, фазовращатель на 90°.The prototype device consists of a series-connected source of a transmitted signal, a single-band oscillator, an envelope separator from it, an envelope adder and a single-band oscillator, a square root extractor, a phase inverter, a switching type phase modulator, the control input of which is connected to the output of a single-band signal shaper through series-connected trigger, differentiating chain, amplifier-limiter of amplitude, phase shifter 90 °.

Основным недостатком прототипа является высокий уровень нелинейных искажений из-за наличия нелинейной операции и блока извлечения корня квадратного, а также отсутствия низкочастотного передаваемого сигнала с разделенной пополам полосой частот, необходимого для цифровой его передачи.The main disadvantage of the prototype is the high level of non-linear distortion due to the presence of a non-linear operation and a square root extraction unit, as well as the absence of a low-frequency transmitted signal with a divided frequency band in half necessary for its digital transmission.

Техническим результатом изобретения является повышение качества передаваемого сообщения за счет исключения нелинейной операции и блока извлечения корня квадратного, а также получения низкочастотного передаваемого сигнала с разделенной пополам полосой частот за счет введенного когерентного детектирования однополосного колебания, что реализовано введенными перемножителем сигналов, когерентным детектором, делителем частоты в два раза колебания несущей частоты однополосного сигнала.The technical result of the invention is to improve the quality of the transmitted message by eliminating the non-linear operation and the square root extraction unit, as well as obtaining a low-frequency transmitted signal with a banded frequency band due to the introduced coherent detection of a single-band oscillation, which is implemented by the introduced signal multiplier, coherent detector, frequency divider in two times the oscillation of the carrier frequency of a single-band signal.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе деления полосы частот передаваемого сигнала, состоящем из формирования по данному сигналу однополосного колебания, из которого выделяется огибающая и складывается с ним, и которое подвергается последовательным операциям: сдвигу по фазе на 90°, усилению-ограничению по амплитуде, дифференцированию по времени для получения отрицательных скачков сигнала, по которым формируются разнополярные прямоугольные импульсы, сумма однополосного колебания и его огибающей перемножаются с разнополярными прямоугольными импульсами и сигнал перемножения когерентно детектируется по опорному колебанию несущей частоты однополосного сигнала, разделенному в два раза по частоте.The essence of the invention lies in the fact that in the method of dividing the frequency band of the transmitted signal, which consists of generating a single-band oscillation from this signal, from which the envelope is extracted and added to it, and which is subjected to sequential operations: phase shift by 90 °, gain-limiting by amplitude, time differentiation to obtain negative jumps of the signal, according to which bipolar rectangular pulses are formed, the sum of a single-band oscillation and its envelope are multiplied with bipolar rectangular pulses and the multiplication signal is coherently detected by the reference oscillation of the carrier frequency of a single-band signal, divided by half in frequency.

В устройстве же для осуществления способа, состоящем из последовательно включенных источника передаваемого сигнала, формирователя однополосного колебания, выделителя его огибающей, сумматора однополосного колебания и его огибающей, а также последовательно подключенных к формирователю однополосного колебания фазовращателя на 90°, усилителя-ограничителя амплитуды, дифференцирующей цепи, триггера, элемента исключения постоянной составляющей его колебаний введены перемножитель сигналов, когерентный детектор, делитель частоты в два раза, причем, выход сумматора соединен с сигнальным входом детектора через перемножитель сигналов, второй вход которого подключен к элементу исключения постоянной составляющей из колебаний триггера, а опорный вход детектора соединен с выходом генератора колебания несущей частоты формирователя однополосного сигнала через делитель частоты на два.In the device for implementing the method, consisting of a series-connected source of a transmitted signal, a shaper of a single-band waveform, a separator of its envelope, an adder of a single-band waveform and its envelope, as well as serially connected to a shaper of a single-band waveform phase shifter by 90 °, an amplifier-limiter of the amplitude, a differentiating circuit , a trigger, an element for eliminating the constant component of its oscillations, a signal multiplier, a coherent detector, a two-frequency divider are introduced in addition, the output of the adder is connected to the signal input of the detector through a signal multiplier, the second input of which is connected to the element for excluding the DC component from the trigger oscillations, and the reference input of the detector is connected to the output of the oscillator of the carrier frequency of the shaper of the single-band signal through a frequency divider by two.

Существенным отличием изобретения является совокупность введенных связей и новых элементов, т.к. только они позволяют уменьшить нелинейные искажения при разделении полосы частот в два раза передаваемого сигнала, что необходимо для цифровой его передачи.A significant difference of the invention is a combination of introduced relations and new elements, because only they can reduce nonlinear distortion when dividing the frequency band of the transmitted signal twice, which is necessary for its digital transmission.

Предлагаемые объекты изобретения иллюстрируются чертежами.The proposed objects of the invention are illustrated by drawings.

На фиг.1 представлены временные диаграммы, поясняющие предложенный способ деления полосы частот передаваемого сигнала. u(t)=U(t)cosφ(t). По данному сигналу формируется однополосное колебание u₀(t)=U(t)cos[ωt+φ], из которого выделяется его огибающая (амплитуда) U(t) и складывается с этим колебанием:Figure 1 presents the timing diagrams explaining the proposed method of dividing the frequency band of the transmitted signal. u (t) = U (t) cosφ (t). Based on this signal, a single-band oscillation u ₀ (t) = U (t) cos [ωt + φ] is formed, from which its envelope (amplitude) U (t) is extracted and is added to this oscillation:

Суммарное колебание

не пересекает ось абсцисс, а имеет с ней только точки касания, как показано на фиг. 1а, где для упрощения принято U(t)=1=const. Так как ω≫dφ(t)/dt, то при U(t)=1 однополосный сигнал близок к гармоническому (фиг. 1а, б)Total fluctuation

does not cross the abscissa axis, but has only tangent points with it, as shown in FIG. 1a, where for simplification it is accepted U (t) = 1 = const. Since ω≫dφ (t) / dt, for U (t) = 1 the single-band signal is close to harmonic (Fig. 1a, b)

На фиг.1б показан квадратурный однополосный сигнал

, т.е. сдвинутый по фазе на 90° относительно исходного (фиг.1а). Дифференцируя по времени этот усиленный и ограниченный по амплитуде сигнал

, получим короткие положительные и отрицательные импульсы, как показано на фиг.1 в (положительные импульсы перечеркнуты). Видно, что отрицательные импульсы совпадают с точками касания сигнала

и оси абсцисс. По этим отрицательным импульсам, как по фронтам, формируются с помощью триггера отрицательные импульсы большой длительности, равной периоду колебаний То однополосного сигнала. На фиг.1 в они показаны с пунктирной вершиной. Эти однополярные импульсы преобразуются в разнополярные путем исключения из них постоянной составляющей, которые перемножаются с суммарным сигналом

. Этот сигнал

на своем периоде, совпадающем с длительностью импульса противоположного знака, от перемножения меняет свою полярность на противоположную (фиг.1г), отчего увеличивается в 2 раза его период Т=2То, уменьшается в 2 раза его полоса и несущая частота. В этом основная суть предлагаемого способа.On figb shows a quadrature single-band signal

, i.e. phase shifted by 90 ° relative to the original (figa). Differentiating this amplified and amplitude-limited signal in time

, we get short positive and negative pulses, as shown in figure 1 in (positive pulses are crossed out). It can be seen that the negative pulses coincide with the touch points of the signal

and the abscissa axis. On these negative impulses, as on the fronts, negative pulses of long duration equal to the period of oscillations of a single-band signal are formed using a trigger. In figure 1 in they are shown with a dotted top. These unipolar pulses are converted into unipolar pulses by eliminating the constant component from them, which are multiplied with the total signal

. This signal

at its own period, which coincides with the pulse duration of the opposite sign, from multiplication, it changes its polarity to the opposite (Fig. This is the main essence of the proposed method.

Небольшие отклонения от синусоиды в точках пересечения оси абсцисс разделенным однополосным сигналом (фиг.1г) дают незначительные нелинейные искажения в виде нечетных гармоник, которые автоматически устраняются при когерентном детектировании.Small deviations from the sinusoid at the points of intersection of the abscissa axis by a divided single-band signal (Fig. 1d) give slight nonlinear distortions in the form of odd harmonics, which are automatically eliminated during coherent detection.

Из описания и фиг.1 следует, что частота и амплитуда однополосного сигнала могут меняться, отчего работоспособность способа и устройства не нарушится.From the description and figure 1 it follows that the frequency and amplitude of a single-band signal can vary, which is why the performance of the method and device is not affected.

Структурная схема устройства, реализующего данный способ, приведена на фиг.2.The structural diagram of a device that implements this method is shown in figure 2.

Устройство состоит из источника передаваемого сигнала 1, формирователя однополосного колебания 2, генератора колебания несущей частоты 3, фазовращателя 4 на 90°, сумматора 5, выделителя огибающей 6, усилителя-ограничителя амплитуды 7, перемножителя сигналов 8, дифференцирующей цепи 9, когерентного детектора 10, делителя частоты в 2 раза 11, триггера 12, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 13, элемента 14, исключающего постоянную составляющую прямоугольного колебания.The device consists of a transmitted signal source 1, a single-band oscillator 2, a carrier frequency oscillator 3, a phase shifter 4 by 90 °, an adder 5, an envelope isolator 6, an amplitude limiter 7, a signal multiplier 8, a differentiator circuit 9, a coherent detector 10, 2 times the frequency divider 11, trigger 12, analog-to-digital converter (ADC) 13, element 14, excluding the constant component of the square wave.

Работа схемы поясняется временными диаграммами фиг.1, вышеприведенными формулами и осуществляется следующим образом.The operation of the circuit is illustrated by the timing diagrams of figure 1, the above formulas and is as follows.

Передаваемый н.ч. сигнал с блока 1 поступает на один вход формирователя однополосного сигнала 2, на второй вход которого подается колебание несущей частоты с генератора 3. Однополосное колебание с выхода блока 2 поступает на один вход сумматора 5 непосредственно, на второй его вход через выделитель огибающей 6, в результате чего на выходе сумматора 5 имеет место однополярное однополосное колебание (фиг.1а), которое подается на один вход перемножителя 8. На другой его вход поступают разнополярные прямоугольные импульсы с выхода блока 14 (фиг.1в). Они образованы из однополосного колебания с блока 2 в результате сдвига его по фазе на 90° в блоке 4, усиления-ограничения по амплитуде в блоке 7, дифференцирования по времени в блоке 9, формирования однополярных импульсов в триггере 12 отрицательными скачками сигнала с выхода блока 9 и устранения постоянной составляющей этих импульсов в блоке 14, отчего импульсы становятся разнополярными, но одинаковой амплитуды и длительности, равной периоду однополосного колебания. От перемножения однополярное однополосное колебание на периодах, соответствующих длительности импульсов противоположного ему знака, меняет свою полярность, в результате чего полоса и несущая частота однополосного колебания уменьшаются в 2 раза (фиг.1г). Далее это колебание поступает на сигнальный вход когерентного детектора 10, на опорный вход которого подается колебание несущей частоты с выхода генератора 3 через делитель частоты в 2 раза 11. На выходе блока 10 имеет место н.ч. передаваемый сигнал, у которого полоса частот уменьшена в 2 раза. В блоке 13 этот аналоговый сигнал преобразуется в цифровой, у которого полоса частот тоже в 2 раза меньше.Transmitted n.h. the signal from block 1 is fed to one input of the shaper of single-band signal 2, the second input of which is the oscillation of the carrier frequency from the generator 3. The single-band oscillation from the output of block 2 is fed to one input of the adder 5 directly, to its second input through the envelope separator 6, as a result which, at the output of the adder 5, there is a unipolar single-band oscillation (Fig. 1a), which is fed to one input of the multiplier 8. At its other input, opposite-polarity rectangular pulses from the output of block 14 (Fig. 1c) are received. They are formed from a single-band oscillation from block 2 as a result of its phase shift by 90 ° in block 4, amplification-limitation in amplitude in block 7, differentiation in time in block 9, the formation of unipolar pulses in trigger 12 by negative signal jumps from the output of block 9 and eliminating the constant component of these pulses in block 14, which is why the pulses become bipolar, but of the same amplitude and duration, equal to the period of a single-band oscillation. From multiplication, unipolar uniband oscillation at periods corresponding to the duration of pulses of the opposite sign changes its polarity, as a result of which the band and carrier frequency of the uniband oscillation are reduced by 2 times (Fig. 1d). Further, this oscillation is fed to the signal input of the coherent detector 10, to the reference input of which the carrier frequency oscillation is output from the output of the generator 3 through the frequency divider 2 times 11. At the output of block 10 there is a low frequency a transmitted signal in which the frequency band is reduced by 2 times. In block 13, this analog signal is converted to digital, in which the frequency band is also 2 times smaller.

Если надо разделить полосу частот в 2ⁿ раз, то следует включить последовательно n таких схем, причем схемы второго и последующих делителей упрощаются за счет отсутствия в них формирователя однополосного сигнала. Восстанавливается полоса частот н. ч. сигнала на приемной стороне путем формирования по нему однополосного колебания, умножения его по частоте в соответствующее число раз и когерентного детектирования.If it is necessary to divide the frequency band 2 ⁿ times, then n such schemes should be included in series, and the schemes of the second and subsequent dividers are simplified due to the absence of a single-band signal shaper in them. The frequency band n is restored. including the signal at the receiving side by forming a single-band oscillation along it, multiplying it in frequency by the corresponding number of times, and coherent detection.

Технико-экономическим эффектом изобретения является повышение качества передаваемого сигнала и частотной эффективности системы передачи.The technical and economic effect of the invention is to improve the quality of the transmitted signal and the frequency efficiency of the transmission system.

Claims

1. The method of dividing the frequency band of the transmitted signal, which includes the formation of a single-band oscillation from this signal, from which the envelope is extracted and added to it and which is subjected to a phase shift of 90 °, amplification-limitation in amplitude, and differentiation in time to obtain negative jumps in the signal, over which different-polar rectangular pulses of the same amplitude are formed, characterized in that the sum of the single-band oscillation and its envelope are multiplied with different-polar by coiled pulses and the multiplication signal is coherently detected by the reference oscillation of the carrier frequency of a single-band signal, divided by a frequency of 2 times.

2. The device for implementing the method according to claim 1, consisting of a series-connected source of a transmitted signal, a shaper of a single-band waveform, a separator of its envelope, an adder of a single-band waveform and its envelope, and also of a 90 ° phase shifter serially connected to a shaper of a oscillator, the amplifier an amplitude limiter, a differentiating circuit, a trigger, an element for eliminating the constant component of its oscillations, characterized in that a signal multiplier is introduced into it, coherent a detector, a frequency divider 2 times, the adder output connected to the signal input of a coherent detector through a signal multiplier, the second input of which is connected to an element for excluding a constant component from trigger oscillations, and the reference input of a coherent detector is connected to a carrier frequency oscillator of a single-band signal shaper through a divider frequency 2 times.