RU2599964C1 - Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and device therefor - Google Patents

Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and device therefor Download PDF

Info

Publication number
RU2599964C1
RU2599964C1 RU2015110178/08A RU2015110178A RU2599964C1 RU 2599964 C1 RU2599964 C1 RU 2599964C1 RU 2015110178/08 A RU2015110178/08 A RU 2015110178/08A RU 2015110178 A RU2015110178 A RU 2015110178A RU 2599964 C1 RU2599964 C1 RU 2599964C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
terminal
resistive
low
modulated signal
Prior art date
Application number
RU2015110178/08A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Афанасьевич Головков
Владимир Николаевич Гаврюшин
Владислав Викторович Кирюшкин
Ибрагим Нугаевич Нугаев
Original Assignee
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации filed Critical Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации
Priority to RU2015110178/08A priority Critical patent/RU2599964C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2599964C1 publication Critical patent/RU2599964C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/38DC amplifiers with modulator at input and demodulator at output; Modulators or demodulators specially adapted for use in such amplifiers
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03DDEMODULATION OR TRANSFERENCE OF MODULATION FROM ONE CARRIER TO ANOTHER
    • H03D3/00Demodulation of angle-, frequency- or phase- modulated oscillations

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: wireless communications.
SUBSTANCE: invention relates to radio communication. Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals is characterised by that four-terminal element is resistive, external feedback circuit used is an arbitrary complex four-terminal element connected in parallel to three polar nonlinear element, three-polar nonlinear element and a feedback circuit as integral unit cascade include between source of frequency-modulated signal with complex resistance and input of resistive four-terminal element, between output of resistive four-terminal element and low-pass filter includes high-frequency load in form of a bi-pole with complex resistance modulus mp, and resonant frequency of device is selected to form given quasi-linear slope section of left slope amplitude-frequency characteristics of device in a given frequency band.
EFFECT: technical result consists in provision of amplification and frequency demodulation of high-frequency signal due to selection scheme and values of resistances of resistive elements.
2 cl, 3 dwg

Description

Изобретения относятся к областям радиосвязи, радиолокации, радионавигации и радиоэлектронной борьбы и могут быть использованы для создания многофункциональных устройств усиления амплитуды и демодуляции частотно-модулированных сигналов с увеличенным квазилинейным участком частотной демодуляционной характеристики при произвольных заданных характеристиках нелинейного элемента, цепи внешней обратной связи и нагрузки.The invention relates to the fields of radio communication, radar, radio navigation and electronic warfare and can be used to create multifunctional devices for amplifying the amplitude and demodulating frequency-modulated signals with an increased quasilinear portion of the frequency demodulation characteristic for arbitrary given characteristics of a nonlinear element, external feedback circuit and load.

Известен способ усиления и частотной демодуляции высокочастотного сигнала, основанный на использовании энергии источника постоянного напряжения, организации внутренней обратной связи в нелинейном элементе путем использования в качестве него двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением [Радиоприемные устройства. Под общей редакцией В.И. Сифорова. - М: Советское радио, 1974, с. 137-150], выполнении условий усиления путем согласования с заданным допуском отрицательного сопротивления с сопротивлением остальной части усилителя. Входную часть выполняют из параллельного колебательного контура. Выходную часть усилителя выполняют из фильтра нижних частот (ФНЧ), разделительной емкости и низкочастотной нагрузки [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М: Советское радио, 1977, с. 190-193, 290-293, 311-316]. Если средняя частота входного частотно-модулированного сигнала (ЧМС) совпадает со средней частотой левого склона амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) колебательного контура, то ЧМС преобразуется в амплитудно-модулированный ЧМС (АЧМС). Нелинейный элемент разрушает (расщепляет) спектр АЧМС на высокочастотные и низкочастотные составляющие, ФНЧ выделяет низкочастотные составляющие, а остальные подавляет. Разделительная емкость устраняет постоянную составляющую. На низкочастотную нагрузку поступает низкочастотный сигнал, амплитуда которого изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС. В результате одновременно обеспечивается усиление и демодуляция ЧМС.A known method of amplification and frequency demodulation of a high-frequency signal, based on the use of the energy of a constant voltage source, the organization of internal feedback in a nonlinear element by using a bipolar nonlinear element with negative differential resistance [Radio receivers. Under the general editorship of V.I. Siforova. - M: Soviet Radio, 1974, p. 137-150], the fulfillment of the amplification conditions by matching with a given tolerance of negative resistance with the resistance of the rest of the amplifier. The input part is made of a parallel oscillatory circuit. The output part of the amplifier is performed from a low-pass filter (low-pass filter), separation capacitance and low-frequency load [Gonorovsky I.S. Radio circuits and signals. - M: Soviet Radio, 1977, p. 190-193, 290-293, 311-316]. If the average frequency of the input frequency-modulated signal (HMS) coincides with the average frequency of the left slope of the amplitude-frequency characteristic (AFC) of the oscillating circuit, then the HMS is converted to an amplitude-modulated ChMS (AHMS). A nonlinear element destroys (splits) the frequency response spectrum into high-frequency and low-frequency components, the low-pass filter selects low-frequency components, and suppresses the rest. The separation capacity eliminates the constant component. A low-frequency signal arrives at a low-frequency load, the amplitude of which changes according to the law of changing the frequency of the input HMS. As a result, amplification and demodulation of ChMS is simultaneously provided.

Известно устройство усиления и частотной модуляции, состоящее из источника постоянного напряжения, устанавливающего рабочую точку на середине падающего участка вольт-амперной характеристики двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением [Радиоприемные устройства. Под общей редакцией В.И. Сифорова. - М.: Советское радио, 1974, с. 137-150], входной цепи из параллельного колебательного контура и реактивного четырехполюсника, при этом параметры контура, двухполюсного нелинейного элемента и четырехполюсника выбраны из условия совпадения средней частоты левого склона АЧХ и средней частоты входного ЧМС и одновременного усиления амплитуды ЧМС. [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М: Советское радио, 1977, с. 190-193, 290-293, 311-316]. Принцип действия этого устройства состоит в следующем. При включении источника постоянного напряжения (тока) рабочая точка нелинейного элемента устанавливается на падающем участке его вольт-амперной характеристики. Благодаря наличию внутренней обратной связи в двухполюсном нелинейном элементе на участке с падающей вольт-амперной характеристикой возникает отрицательное дифференциальное сопротивление, которое в силу согласования с помощью реактивного четырехполюсника компенсирует потери в во всей цепи с заданным допуском. Благодаря этому, входной ЧМС со средней частотой, равной средней частоте левого склона колебательного контура, усиливается до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы падающего участка вольт-амперной характеристики, а входной ЧМС преобразуется в АЧМС. Нелинейный элемент расщепляет (разрушает) спектр АЧМС на составляющие, ФНЧ выделяет НЧ составляющую, а остальные подавляет, разделительная емкость устраняет постоянную составляющую. НЧ составляющая, амплитуда которой изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС, поступает на низкочастотную нагрузку. Происходит демодуляция ЧМС. Недостатком способа и устройства является простое суммирование функций усиления и частотной демодуляции. Если устройство эффективно в режиме усиления, то оно не эффективно в режиме частотной модуляции, и наоборот, если устройство эффективно в режиме частотной модуляции, то оно не эффективно в режиме усиления. Поэтому в общем случае возникают нежелательные частотные или нелинейные искажения в одном из режимов.A device for amplification and frequency modulation, consisting of a constant voltage source that sets the operating point in the middle of the falling section of the current-voltage characteristics of the bipolar nonlinear element with negative differential resistance [Radio receivers. Under the general editorship of V.I. Siforova. - M .: Soviet Radio, 1974, p. 137-150], an input circuit from a parallel oscillatory circuit and a reactive four-terminal, while the parameters of the circuit, a two-pole nonlinear element and a four-terminal are selected from the condition that the average frequency of the left slope of the frequency response and the average frequency of the input HMS coincide and the amplitude of the HMS is amplified simultaneously. [Honorovsky I.S. Radio circuits and signals. - M: Soviet Radio, 1977, p. 190-193, 290-293, 311-316]. The principle of operation of this device is as follows. When you turn on the DC voltage (current) source, the operating point of the nonlinear element is set on the falling section of its current-voltage characteristics. Due to the presence of internal feedback in a bipolar nonlinear element, a negative differential resistance arises in a section with a falling current-voltage characteristic, which, by matching with a reactive four-terminal, compensates for losses in the entire circuit with a given tolerance. Due to this, the input HMS with an average frequency equal to the average frequency of the left slope of the oscillating circuit is amplified to a level at which the amplitude goes beyond the falling section of the current-voltage characteristic, and the input HMS is converted to AFM. A nonlinear element splits (destroys) the frequency response spectrum into components, the low-pass filter isolates the low-frequency component, and suppresses the others, and the separation capacitance eliminates the constant component. The low-frequency component, the amplitude of which changes according to the law of changing the frequency of the input HMS, enters the low-frequency load. There is demodulation of the emergency response. The disadvantage of this method and device is the simple summation of the gain and frequency demodulation functions. If the device is effective in gain mode, then it is not effective in frequency modulation mode, and vice versa, if the device is effective in frequency modulation mode, then it is not effective in gain mode. Therefore, in the general case, undesirable frequency or nonlinear distortions occur in one of the modes.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ усиления и частотной демодуляции высокочастотного сигнала, основанный на использовании энергии источника постоянного напряжения, организации цепи прямой передачи (ЦПП) и цепи внешней обратной связи (ОС), выполнении условий усиления путем согласования с заданным допуском ОС и ЦПП с остальной частью усилителя. Если средняя частота входного ЧМС совпадает со средней частотой левого склона АЧХ, а выходом остальной части усилителя является фильтр нижних частот и низкочастотная нагрузка, то одновременно с усилением произойдет преобразование ЧМС в АЧМС, амплитуда которого будет изменяться по закону изменения частоты входного ЧМС, а также амплитудная демодуляция АЧМС с формированием на низкочастотной нагрузке НЧ сигнала, амплитуда которого изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС. [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М: Советское радио, 1977, с. 190-193, 290-293, 311-316].The closest in technical essence and the achieved result (prototype) is a method of amplification and frequency demodulation of a high-frequency signal, based on the use of energy from a constant voltage source, organization of a direct transmission circuit (DPC) and external feedback circuit (OS), the fulfillment of amplification conditions by agreement with the specified tolerance of the OS and the CPU with the rest of the amplifier. If the average frequency of the input HMC coincides with the average frequency of the left slope of the frequency response, and the output of the rest of the amplifier is a low-pass filter and a low-frequency load, then simultaneously with the amplification, the HMS will be converted to AHMS, the amplitude of which will change according to the law of the frequency of the input HMS, as well as the amplitude AFMD demodulation with the formation of a low-frequency load of the LF signal, the amplitude of which varies according to the law of the frequency of the input HMS. [Honorovsky I.S. Radio circuits and signals. - M: Soviet Radio, 1977, p. 190-193, 290-293, 311-316].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство усиления и частотной демодуляции высокочастотного сигнала, состоящее из источника постоянного напряжения, устанавливающего рабочую точку на середине квазилинейного участка проходной вольт-амперной характеристики транзистора, цепи прямой передачи в виде первого четырехполюсника для согласования выходного электрода транзистора и нагрузки, входной цепи в виде параллельного колебательного контура, RC-цепи внешней положительной обратной связи (в общем виде - второго четырехполюсника для согласования управляющего электрода транзистора и нагрузки) между нагрузкой и управляющим электродом транзистора, выходной цепи в виде ФНЧ, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, при этом параметры контура, цепи прямой передачи, цепи обратной связи и транзистора выбраны из условия совпадения средней частоты левого склона АЧХ всего устройства и средней частоты входного ЧМС и одновременного усиления амплитуды ЧМС [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М: Советское радио, 1977, с. 190-193, 290-293, 311-316].The closest in technical essence and the achieved result (prototype) is a device for amplification and frequency demodulation of a high-frequency signal, consisting of a constant voltage source that sets an operating point in the middle of the quasilinear section of the transient current-voltage characteristic of the transistor, a direct transmission circuit in the form of a first four-terminal device for matching the output transistor electrode and load, input circuit in the form of a parallel oscillatory circuit, RC circuit of the external positive back communication (in general, the second four-terminal network for matching the control electrode of the transistor and the load) between the load and the control electrode of the transistor, the output circuit in the form of a low-pass filter, isolation capacitance and low-frequency load, while the parameters of the circuit, direct current circuit, feedback circuit and transistor selected from the condition of coincidence of the average frequency of the left slope of the frequency response of the entire device and the average frequency of the input HMS and the simultaneous amplification of the amplitude of the HMS [Gonorovsky IS Radio circuits and signals. - M: Soviet Radio, 1977, p. 190-193, 290-293, 311-316].

Принцип действия этого устройства состоит в следующем. При включении источника постоянного напряжения (тока) рабочая точка нелинейного элемента устанавливается на середине квазилинейного участка его проходной вольт-амперной характеристики. Благодаря наличию внешней обратной связи, согласования с помощью реактивных четырехполюсников выходного электрода с нагрузкой и нагрузки с управляющим электродом, потери во всей цепи компенсируются с определенным допуском, необходимым для устранения возможности возбуждения устройства. Благодаря этому, входной ЧМС со средней частотой, равной средней частоте левого склона колебательного контура, усиливается до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы квазилинейного участка вольт-амперной характеристики, а входной ЧМС преобразуется в АЧМС. Нелинейный элемент расщепляет (разрушает) спектр АЧМС на составляющие, ФНЧ выделяет НЧ составляющую, а остальные подавляет, разделительная емкость устраняет постоянную составляющую, НЧ составляющая, амплитуда которой изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС, поступает на низкочастотную нагрузку. Происходит демодуляция ЧМС. Недостатком способа и устройства является простое совмещение функций усиления и частотной демодуляции. Общим недостатком всех известных способов и устройств является то, что отсутствуют технические решения, способствующие обеспечению режима усиления и режима частотной демодуляции с помощью одного радиотехнического устройства. Если в режиме частотной демодуляции достигнут минимум нелинейных и частотных искажений, то в режиме усиления эти искажения будут максимальными, и наоборот, если в режиме усиления достигнут минимум нелинейных и частотных искажений, то в режиме частотной демодуляции эти искажения будут максимальными. Особенно остро возникает этот вопрос при проектировании устройств усиления и частотной демодуляции в диапазонах ВЧ и УВЧ, на которых, кроме того, обязательно нужно учитывать реактивные составляющие параметров нелинейных элементов. В настоящее время классическая теория радиотехнических цепей это не учитывает. Кроме того, частотную демодуляцию и усиление можно обеспечить при наличии резистивных четырехполюсников, параметры которых не зависят от частоты в достаточно большом диапазоне частот, что при определенных условиях способствует увеличению квазилинейного участка частотной демодуляционной характеристики, обеспечению заданного коэффициента усиления и динамического диапазона. Это обеспечивает минимум нелинейных и частотных искажений. Основой для данного изобретения является определение указанных условий.The principle of operation of this device is as follows. When a constant voltage (current) source is turned on, the operating point of the nonlinear element is set in the middle of the quasilinear section of its through-current voltage-current characteristic. Due to the presence of external feedback, matching the output electrode with the load and the load with the control electrode using reactive four-terminal devices, the losses in the entire circuit are compensated with a certain tolerance necessary to eliminate the possibility of excitation of the device. Due to this, the input HMS with an average frequency equal to the average frequency of the left slope of the oscillating circuit is amplified to a level at which the amplitude goes beyond the quasilinear portion of the current-voltage characteristic, and the input HMS is converted to AFM. A nonlinear element splits (destroys) the frequency response spectrum into components, the low-pass filter isolates the low-frequency component, and suppresses the others, the separation capacitance eliminates the constant component, the low-frequency component, the amplitude of which changes according to the law of the frequency of the input frequency, is applied to the low-frequency load. There is demodulation of the emergency response. The disadvantage of this method and device is the simple combination of amplification and frequency demodulation. A common disadvantage of all known methods and devices is that there are no technical solutions that contribute to providing a gain mode and a frequency demodulation mode using a single radio device. If a minimum of nonlinear and frequency distortion is achieved in the frequency demodulation mode, then in the amplification mode these distortions will be maximum, and vice versa, if a minimum of nonlinear and frequency distortion is achieved in the amplification mode, then these distortions will be maximum in the frequency demodulation mode. This question arises especially sharply when designing amplification and frequency demodulation devices in the HF and UHF bands, on which, in addition, it is necessary to take into account the reactive components of the parameters of nonlinear elements. Currently, the classical theory of radio circuits does not take this into account. In addition, frequency demodulation and amplification can be achieved with resistive quadripoles, the parameters of which are independent of the frequency in a sufficiently large frequency range, which under certain conditions contributes to an increase in the quasilinear portion of the frequency demodulation characteristic, providing a given gain and dynamic range. This ensures a minimum of non-linear and frequency distortion. The basis for this invention is the definition of these conditions.

Техническим результатом изобретения является усиление и частотная демодуляция высокочастотного сигнала с помощью устройства с увеличенным динамическим диапазоном и квазилинейным участком частотной демодуляционной характеристики благодаря согласованию с помощью резистивного четырехполюсника по критерию формирования квазилинейного участка левого склона АЧХ, совпадающего с диапазоном изменения частоты входного ЧМС. Возможность использования различных вариантов включения трехполюсного нелинейного элемента относительно резистивного четырехполюсника и различных видов обратной связи расширяет возможности физической реализуемости этого результата.The technical result of the invention is the amplification and frequency demodulation of a high-frequency signal using a device with an increased dynamic range and a quasilinear portion of the frequency demodulation characteristic due to matching with a resistive four-terminal device according to the criterion for the formation of a quasilinear portion of the left slope of the frequency response that matches the frequency range of the input HMS. The possibility of using various options for including a three-pole nonlinear element with respect to a resistive four-terminal and various types of feedback expands the possibilities of the physical feasibility of this result.

1. Указанный результат достигается тем, что в известном способе усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов, основанном на использовании энергии источника постоянного напряжения, взаимодействии частотно-модулированного сигнала с устройством, которое выполняют из цепи прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента, четырехполюсника, цепи внешней обратной связи, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, выполнении условий согласования цепи прямой передачи с цепью внешней обратной связи, условий согласования цепи внешней обратной связи с управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, условий согласования цепи прямой передачи и цепи внешней обратной связи с остальной частью устройства с заданным допуском, преобразовании частотно-модулированного сигнала в амплитудно-частотно-модулированный сигнал на левом склоне амплитудно-частотной характеристики, расщеплении спектра амплитудно-частотно-модулированного сигнала на низкочастотные и высокочастотные составляющие с помощью трехполюсного нелинейного элемента, выделении низкочастотной составляющей с помощью фильтра нижних частот, устранении постоянной составляющей с помощью разделительной емкости и получении на низкочастотной нагрузке низкочастотного сигнала, амплитуда которого изменяется по закону изменения частоты частотно-модулированного сигнала, дополнительно четырехполюсник выполняют резистивным, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный комплексный четырехполюсник, параллельно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включают между источником частотно-модулированного сигнала с комплексным сопротивлением и входом резистивного четырехполюсника, между выходом резистивного четырехполюсника и фильтром нижних частот включают высокочастотную нагрузку в виде двухполюсника с комплексным сопротивлением, значение модуля mр передаточной функции и резонансную частоту устройства выбирают из условия формирования заданной крутизны квазилинейного участка левого склона амплитудно-частотной характеристики устройства в заданной полосе частот, совпадающей с диапазоном изменения частоты частотно-модулированного сигнала, условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции выполняют путем реализации заданного значения mр на резонансной частоте за счет выбора значений параметров резистивного четырехполюсника в соответствии со следующими математическими выражениями:1. The specified result is achieved by the fact that in the known method of amplification and demodulation of frequency-modulated signals, based on the use of energy from a constant voltage source, the interaction of the frequency-modulated signal with a device that is performed from a direct transmission circuit in the form of a three-pole nonlinear element, four-terminal, circuit external feedback, low-pass filter, separation capacitance and low-frequency load, meeting the conditions for matching the forward circuit with the external feedback circuit conditions for matching the external feedback circuit with the control electrode of a three-pole nonlinear element, matching conditions for the direct transmission circuit and the external feedback circuit with the rest of the device with a given tolerance, converting the frequency-modulated signal into an amplitude-frequency-modulated signal on the left slope of the amplitude frequency response, splitting the spectrum of the amplitude-frequency-modulated signal into low-frequency and high-frequency components using a three-pole nonlinear element, isolating the low-frequency component using a low-pass filter, eliminating the constant component using a dividing capacitance, and receiving a low-frequency signal at a low-frequency load, the amplitude of which changes according to the law of frequency change of the frequency-modulated signal, additionally, the four-terminal network is made resistive as an external feedback circuit use an arbitrary complex four-terminal, connected in parallel to a three-pole nonlinear element, a three-pole not the linear element and the feedback circuit as a single node cascade between the source of the frequency-modulated signal with complex resistance and the input of the resistive four-terminal, between the output of the resistive four-terminal and the low-pass filter include a high-frequency load in the form of a two-terminal with complex resistance, the module value m r of the transfer function and the resonant frequency of the device is selected from the conditions for the formation of a given slope of the quasilinear portion of the left slope of the amplitude-frequency characteristic line providers device in a predetermined frequency band coinciding with the range of change of frequency of the frequency modulated signal matching conditions for the criterion simultaneously provide gain and frequency demodulation is accomplished by implementing a predetermined value m p at a resonant frequency by selecting the parameter values of the resistance of quadripole according to the following mathematical expressions :

Figure 00000001
Figure 00000001

где

Figure 00000002
Where
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
- отношения соответствующих элементов классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника a, b, c, d; r0, rн, x0, xн - заданные значения действительных и мнимых составляющих сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки на резонансной частоте; g11, b11, g12, b12, g21, b21 g22, b22 - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей трехполюсного нелинейного элемента на резонансной частоте и соответствующих значений действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей цепи внешней обратной связи на резонансной частоте.
Figure 00000006
- the ratio of the corresponding elements of the classical transmission matrix of the resistive quadrupole a, b, c, d; r 0 , r n , x 0 , x n - set values of the real and imaginary components of the resistance of the source of the input frequency-modulated signal and high-frequency load at the resonant frequency; g 11 , b 11 , g 12 , b 12 , g 21 , b 21 g 22 , b 22 - given total values of the real and imaginary components of the conductivity matrix elements of a three-pole nonlinear element at the resonant frequency and the corresponding values of the real and imaginary components of the conductivity matrix elements external feedback at the resonant frequency.

2. Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов, выполненном из источника постоянного напряжения, цепи прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента, четырехполюсника, цепи внешней обратной связи, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, дополнительно четырехполюсник выполнен резистивным, в качестве цепи внешней обратной связи использован произвольный комплексный четырехполюсник, параллельно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включены между источником частотно-модулированного сигнала с комплексным сопротивлением и входом резистивного четырехполюсника, между выходом резистивного четырехполюсника и фильтром нижних частот включена высокочастотная нагрузка в виде двухполюсника с комплексным сопротивлением, резистивный четырехполюсник выполнен в виде обратного Г-образного соединения двух резистивных двухполюсников с сопротивлениями r1, r2, значения которых выбраны из условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции в соответствии со следующими математическими выражениями:2. The specified result is achieved by the fact that in the known device for amplification and demodulation of frequency-modulated signals made from a constant voltage source, a direct transmission circuit in the form of a three-pole nonlinear element, four-terminal, external feedback circuit, low-pass filter, separation capacitance and low-frequency load , additionally the four-terminal is made resistive, as an external feedback circuit an arbitrary complex four-terminal is used, connected in parallel to a three-pole to a non-linear element, a three-pole non-linear element and a feedback circuit as a single node are cascaded between the source of the frequency-modulated signal with complex resistance and the input of the resistive four-terminal, between the output of the resistive four-terminal and the low-pass filter, a high-frequency load in the form of a two-terminal with complex resistance, a resistive four-pole formed as an inverse T-shaped connections with two two-terminal resistive resistances r 1, r 2, then I which are selected from the condition of matching the criterion simultaneously provide gain and frequency demodulation in accordance with the following mathematical expressions:

Figure 00000007
Figure 00000007

где

Figure 00000008
Where
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

Figure 00000012
Figure 00000012

Figure 00000013
r0, rн, х0, хн - заданные значения действительных и мнимых составляющих сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки на резонансной частоте; g11, b11, g12, b12, g21, b21, g22, b22 - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей трехполюсного нелинейного элемента на резонансной частоте и соответствующих значений действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей цепи внешней обратной связи на резонансной частоте;
Figure 00000013
r 0 , r n , x 0 , x n - set values of the real and imaginary components of the resistance of the source of the input frequency-modulated signal and high-frequency load at the resonant frequency; g 11 , b 11 , g 12 , b 12 , g 21 , b 21 , g 22 , b 22 - given total values of the real and imaginary components of the conductivity matrix elements of a three-pole nonlinear element at the resonant frequency and the corresponding values of the real and imaginary components of the conductivity matrix elements external feedback circuits at a resonant frequency;

значение резонансной частоты и величина заданного и реализуемого модуля mр передаточной функции на резонансной частоте выбраны из условия формирования заданной крутизны квазилинейного участка левого склона амплитудно-частотной характеристики устройства в заданной полосе частот, совпадающей с диапазоном изменения частоты входного частотно-модулированного сигнала.the value of the resonant frequency and the value of the given and realized module m r of the transfer function at the resonant frequency are selected from the condition for the formation of the specified slope of the quasilinear portion of the left slope of the amplitude-frequency characteristic of the device in a given frequency band that matches the frequency range of the input frequency-modulated signal.

На фиг. 1 показана схема устройства усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов (прототип), реализующего способ-прототип.In FIG. 1 shows a diagram of a device for amplification and demodulation of frequency-modulated signals (prototype) that implements the prototype method.

На фиг. 2 показана структурная схема предлагаемого устройства по п. 2., реализующая предлагаемый способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов по п. 1.In FIG. 2 shows a structural diagram of the proposed device according to claim 2., which implements the proposed method of amplification and demodulation of frequency-modulated signals according to claim 1.

На фиг. 3. приведена схема согласующего резистивного четырехполюсника, входящего в состав предлагаемого устройства (фиг. 2).In FIG. 3. The diagram of the matching resistive four-port network, which is part of the proposed device (Fig. 2).

Устройство-прототип (Фиг. 1), реализующее способ-прототип, содержит цепь прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента VT-1, подключенного к источнику постоянного напряжения Е0-2, согласующего устройства СУ-3 в виде реактивного четырехполюсника. К цепи прямой передачи (ЦПП) подключена цепь обратной связи ОС-4. К выходу узла из ЦПП и ОС как единого целого подключены ФНЧ-5, разделительная емкость СP-6 и низкочастотная нагрузка Rн-7. Между источником ЧМС с сопротивлением z0-8 и входом ЦПП и ОС параллельно включен параллельный колебательный контур КК-9 на элементах L, R, C.The prototype device (Fig. 1), which implements the prototype method, contains a direct transmission circuit in the form of a three-pole non-linear element VT-1 connected to a constant voltage source E 0 -2, a matching device SU-3 in the form of a four-terminal reactive. An OS-4 feedback circuit is connected to the direct transmission circuit (DPC). An LPF-5, a separation capacitance C P -6 and a low-frequency load R n -7 are connected to the node output from the CPP and OS as a whole. A parallel oscillatory circuit KK-9 on elements L, R, C is connected in parallel between the source of the ChMS with resistance z 0 -8 and the input of the CPU and OS.

Принцип действия устройства усиления и демодуляции ЧМС (прототипа), реализующего способ-прототип, состоит в следующем.The principle of operation of the device for amplification and demodulation of the ChMS (prototype) that implements the prototype method is as follows.

При включении источника постоянного напряжения (тока) Е0-2 рабочая точка нелинейного элемента VT-1 устанавливается на середине квазилинейного участка его проходной вольт-амперной характеристики. Благодаря согласованию с помощью СУ-3 выходного электрода с ОС-4 и ОС-4 с управляющим электродом, в цепи возникает отрицательное сопротивление и потери во всей цепи компенсируются с определенным допуском, необходимым для устранения возможности возбуждения устройства. Благодаря этому, входной ЧМС со средней частотой, равной средней частоте левого склона КК-9, усиливается до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы квазилинейного участка вольт-амперной характеристики, а входной ЧМС преобразуется в АЧМС. Нелинейный элемент VT-1 расщепляет (разрушает) спектр АЧМС на составляющие, ФНЧ-5 выделяет НЧ составляющую, а остальные подавляет, разделительная емкость СP-6 устраняет постоянную составляющую. НЧ составляющая, амплитуда которой изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС, поступает на низкочастотную нагрузку Rн-7. Происходит демодуляция ЧМС.When you turn on the source of constant voltage (current) E 0 -2, the operating point of the non-linear element VT-1 is set in the middle of the quasilinear section of its through-voltage-current characteristic. Due to the coordination of the output electrode with OS-4 and OS-4 with the control electrode using SU-3, negative resistance arises in the circuit and losses in the entire circuit are compensated with a certain tolerance necessary to eliminate the possibility of excitation of the device. Due to this, the input HMS with an average frequency equal to the average frequency of the left slope of KK-9 is amplified to a level at which the amplitude goes beyond the quasilinear portion of the current-voltage characteristic, and the input HMS is converted to AFM. The non-linear element VT-1 splits (destroys) the frequency response spectrum into components, the low-pass filter-5 isolates the low-frequency component, and suppresses the rest, the separation capacitance C P -6 eliminates the constant component. The low-frequency component, the amplitude of which varies according to the law of changing the frequency of the input HMS, enters the low-frequency load R n -7. There is demodulation of the emergency response.

Недостатки способа-прототипа и устройства его реализации описаны выше. Предлагаемое устройство по п. 2 (фиг. 2), реализующее предлагаемый способ по п. 1, содержит трехполюсный нелинейный элемент VT-1 с известными элементами матрицы проводимостей нелинейного элемента (VT) y 11 i V T + g 11 i V T + j b 11 i V T

Figure 00000014
, y 12 i V T + g 12 i V T + j b 12 i V T
Figure 00000015
, y 21 i V T + g 21 i V T + j b 21 i V T
Figure 00000016
, y 22 i V T + g 22 i V T + j b 22 i V T
Figure 00000017
на заданных частотах, подключенный к источнику постоянного напряжения Е0-2 и параллельно соединенный по высокой частоте с цепью внешней ОС (входы соединены параллельно и выходы - параллельно), выполненной в виде произвольного четырехполюсника - 10, сформированного в общем случае на двухполюсниках с комплексными сопротивлениями. Источник входного ЧМС с сопротивлением z0i=r0i+jx0i-8 на заданных частотах подключен к входу узла из нелинейного элемента VT-1 и четырехполюсник 10. К выходу этого узла подключен согласующий резистивный четырехполюсник СРЧ-11, между выходом СРЧ-11 и ФНЧ-5 параллельно включена высокочастотная нагрузка zн-12 с заданными сопротивлениями zнi=rнi+jxнi на заданных частотах. Произвольный четырехполюсник10 тоже характеризуется известными значениями элементов матрицы проводимостей y 11 i O C + g 11 i O C + j b 11 i O C
Figure 00000018
, y 12 i O C + g 12 i O C + j b 12 i O C
Figure 00000019
, y 21 i O C + g 21 i O C + j b 21 i O C
Figure 00000020
, y 22 i O C + g 22 i O C + j b 22 i O C
Figure 00000021
на заданных частотах (i=1,2.. - номер частоты). Четырехполюсник 11 может быть выполнен в виде произвольного соединения произвольного количества резистивных двухполюсников. В данном изобретении этот четырехполюсник выполнен в виде обратного Г-образного соединения двух двухполюсников (фиг. 3). Синтез усилителя и частотного демодулятора (выбор оптимальных значений сопротивлений первого r1-13 и второго r2-14 двухполюсников СРЧ-11) осуществлен по критерию обеспечения заданной крутизны квазилинейного участка левого склона АЧХ в заданной полосе частот, совпадающей с диапазоном изменения частоты входного ЧМС, за счет реализации заданного модуля передаточной функции (коэффициента усиления) на резонансной частоте. В результате реализуется увеличенный квазилинейный участок частотной демодуляционной характеристики и динамический диапазон.The disadvantages of the prototype method and device for its implementation are described above. The proposed device according to claim 2 (Fig. 2), which implements the proposed method according to claim 1, comprises a three-pole non-linear element VT-1 with known elements of the conductivity matrix of a non-linear element (VT) y eleven i V T + g eleven i V T + j b eleven i V T
Figure 00000014
, y 12 i V T + g 12 i V T + j b 12 i V T
Figure 00000015
, y 21 i V T + g 21 i V T + j b 21 i V T
Figure 00000016
, y 22 i V T + g 22 i V T + j b 22 i V T
Figure 00000017
at given frequencies, connected to a constant voltage source E 0 -2 and connected in parallel at high frequency to an external OS circuit (inputs are connected in parallel and outputs are connected in parallel), made in the form of an arbitrary four-terminal - 10, formed in the general case on two-terminal with complex resistances . The source of the input FMC with the resistance z 0i = r 0i + jx 0i -8 at given frequencies is connected to the input of the node from the nonlinear element VT-1 and the four-terminal 10. To the output of this node is connected the matching four-terminal resistive SRCH-11, between the output of the SRCh-11 and Low-pass filter-5 in parallel includes a high-frequency load z n -12 with preset resistances z ni = r ni + jx ni at given frequencies. An arbitrary quadripole 10 is also characterized by the known values of the elements of the conductivity matrix y eleven i O C + g eleven i O C + j b eleven i O C
Figure 00000018
, y 12 i O C + g 12 i O C + j b 12 i O C
Figure 00000019
, y 21 i O C + g 21 i O C + j b 21 i O C
Figure 00000020
, y 22 i O C + g 22 i O C + j b 22 i O C
Figure 00000021
at given frequencies (i = 1,2 .. - frequency number). The four-terminal 11 can be made in the form of an arbitrary connection of an arbitrary number of resistive two-terminal. In this invention, this four-terminal is made in the form of an inverse L-shaped connection of two two-terminal (Fig. 3). The amplifier and frequency demodulator were synthesized (the optimal values of the resistances of the first r 1 -13 and second r 2 -14 two-terminal circuits of the SRCH-11 were selected) by the criterion of providing a given slope of the quasilinear portion of the left slope of the frequency response in a given frequency band that coincides with the frequency range of the input HMS, due to the implementation of a given module of the transfer function (gain) at the resonant frequency. As a result, an enlarged quasilinear section of the frequency demodulation characteristic and a dynamic range are realized.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. При включении источника постоянного напряжения (тока) Е0-2 рабочая точка нелинейного элемента VT-1 устанавливается на начальном участке его проходной вольт-амперной характеристики (режим работы с отсечкой, позволяющий разрушать спектр сигнала). Благодаря согласованию ЦПП и ОС как единого целого с помощью СРЧ-11 с остальной частью устройства в цепи возникает отрицательное сопротивление и потери во всей цепи компенсируются с определенным допуском, необходимым для усиления амплитуды и устранения возможности возбуждения устройства, а также формируется левый склон АЧХ с заданной крутизной в заданной полосе частот. Происходит увеличение квазилинейного участка левого склона АЧХ. Благодаря этому, входной ЧМС со средней частотой, равной средней частоте левого склона АЧХ, усиливается до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы квазилинейного участка левого склона АЧХ, а входной ЧМС преобразуется в АЧМС. Происходит увеличение амплитуды АЧМС на квазилинейном участке левого склона АЧХ, что равносильно увеличению динамического диапазона. Нелинейный элемент VT-1 расщепляет (разрушает) спектр АЧМС на составляющие, ФНЧ-5 выделяет НЧ составляющую, а остальные подавляет, разделительная емкость СР-6 устраняет постоянную составляющую, НЧ составляющая, амплитуда которой изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС, поступает на низкочастотную нагрузку Rн-7. Происходит демодуляция ЧМС, частотные и нелинейные искажения уменьшаются. Коэффициент детектирования увеличивается в число раз, равное коэффициенту усиления - модулю передаточной функции высокочастотной части (до фильтра нижних частот) предлагаемого устройства.The proposed device operates as follows. When you turn on the source of constant voltage (current) E 0 -2, the operating point of the non-linear element VT-1 is set at the initial section of its through-current voltage-current characteristic (operating mode with cut-off, which allows to destroy the signal spectrum). Due to the coordination of the DPC and the OS as a whole with the help of the RF system-11 with the rest of the device, negative resistance arises in the circuit and losses in the entire circuit are compensated with a certain tolerance necessary to amplify the amplitude and eliminate the possibility of excitation of the device, and the left slope of the frequency response with a given steepness in a given frequency band. An increase in the quasilinear portion of the left slope of the frequency response occurs. Due to this, the input HMS with an average frequency equal to the average frequency of the left slope of the frequency response is amplified to a level at which the amplitude goes beyond the quasilinear section of the left slope of the frequency response, and the input HMS is converted to AFM. There is an increase in the amplitude of the AFM in the quasilinear section of the left slope of the frequency response, which is equivalent to an increase in the dynamic range. The non-linear element VT-1 splits (destroys) the frequency response spectrum into components, the low-pass filter-5 separates the low-frequency component, and suppresses the rest, the separation capacitance C P -6 eliminates the constant component, the low-frequency component, the amplitude of which changes according to the law of the frequency of the input HMS, goes low-frequency load R n -7. FMD demodulation occurs, frequency and nonlinear distortions are reduced. The detection coefficient increases by a factor equal to the gain — the transfer function module of the high-frequency part (up to the low-pass filter) of the proposed device.

Докажем возможность реализации указанных свойств.Let us prove the feasibility of implementing these properties.

Введем обозначения зависимостей сопротивления источника сигнала z01=r0+jx0, нагрузки zн2=rн+jxн и зависимостей элементов матрицы проводимостей нелинейного элемента (VT)

Figure 00000022
Figure 00000023
и цепи внешней обратной связи (ОС)
Figure 00000024
Figure 00000025
от частоты. При параллельном соединении четырехполюсников их матрицы проводимостей складываются. Суммарные зависимости элементов матриц проводимостей VT и цепи ОС от частоты: y11=g11+jb11, y12=g12+jb12, y21=g21+jb21, y22=g22+jb22. Параметры нелинейного элемента зависят, кроме того, от амплитуды низкочастотного управляющего сигнала. Для простоты аргументы (амплитуда и частота) опущены. Требуется определить значения сопротивлений r1, r2 (аппроксимирующие функции) первого и второго резистивных согласующих двухполюсников СРЧ-12, оптимальные по критерию обеспечения условий формирования левого склона АЧХ и усиления амплитуды ЧМС в режиме частотной демодуляции и усиления. VT и цепь ОС описываются матрицей проводимостей и матрицей передачи:Let us introduce the notation of the dependences of the resistance of the signal source z 01 = r 0 + jx 0 , the load z n2 = r n + jx n and the dependences of the elements of the conductivity matrix of a nonlinear element (VT)
Figure 00000022
Figure 00000023
and external feedback (OS) circuits
Figure 00000024
Figure 00000025
from frequency. With a parallel connection of the four-terminal networks, their conductivity matrices add up. The total dependences of the elements of the conductivity matrices VT and the OS circuit on the frequency: y 11 = g 11 + jb 11 , y 12 = g 12 + jb 12 , y 21 = g 21 + jb 21 , y 22 = g 22 + jb 22 . The parameters of the nonlinear element also depend on the amplitude of the low-frequency control signal. For simplicity, the arguments (amplitude and frequency) are omitted. It is required to determine the resistance values r 1 , r 2 (approximating functions) of the first and second resistive matching two-terminal СРЧ-12, optimal according to the criterion of providing the conditions for the formation of the left slope of the frequency response and amplification of the FMR amplitude in the frequency demodulation and amplification mode. VT and the OS circuit are described by the conductivity matrix and the transfer matrix:

Figure 00000026
Figure 00000026

где

Figure 00000027
Резистивный четырехполюсник (РЧ) характеризуется матрицей передачи:Where
Figure 00000027
Resistive four-terminal (RF) is characterized by a transmission matrix:

Figure 00000028
Figure 00000028

где

Figure 00000029
a, b, c, d - элементы классической матрицы передачи.Where
Figure 00000029
a, b, c, d - elements of the classical transmission matrix.

Общая нормированная классическая матрица передачи высокочастотной части усилителя и частотного демодулятора получается путем перемножения матриц передачи (1) и (2) (перемножение матриц производится в порядке следования соответствующих четырехполюсников) с учетом условий нормировки:The general normalized classical transfer matrix of the high-frequency part of the amplifier and the frequency demodulator is obtained by multiplying the transfer matrices (1) and (2) (the matrices are multiplied in the order of the corresponding four-terminal circuits) taking into account normalization conditions:

Figure 00000030
Figure 00000030

Используя известную связь элементов матрицы рассеяния с элементами классической матрицы передачи (Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. - М.: Связь, 1971, с. 34-36) и матрицу передачи (3), с учетом условий нормировки получим выражение для коэффициента передачи высокочастотной части усилителя и частотного демодулятора в режиме усиления:Using the well-known connection between the elements of the scattering matrix and the elements of the classical transmission matrix (Feldstein A.L., Yavich L.R. Synthesis of four-terminal and eight-terminal devices on microwave. - M.: Communication, 1971, p. 34-36) and the transmission matrix (3) , taking into account the normalization conditions, we obtain the expression for the transmission coefficient of the high-frequency part of the amplifier and the frequency demodulator in amplification mode:

Figure 00000031
Figure 00000031

где

Figure 00000032
Where
Figure 00000032

Figure 00000033
Figure 00000033

Можно показать, что коэффициент передачи (4) связан с физически реализуемой передаточной функцией простым соотношением

Figure 00000034
Поэтому
Figure 00000035
It can be shown that the transmission coefficient (4) is related to a physically realized transfer function by a simple relation
Figure 00000034
therefore
Figure 00000035

Передаточная функция (5) приводится к известному виду для коэффициента усиления усилителя с обратной связью:The transfer function (5) is reduced to a known form for the gain of a feedback amplifier:

Figure 00000036
Figure 00000036

где

Figure 00000037
- коэффициенты усиления цепи прямой передачи и цепи обратной связи.Where
Figure 00000037
- gains of the forward link circuit and feedback loop.

Пусть требуется обеспечить требуемые зависимости модуля m (АЧХ) и фазы φ (ФЧХ) передаточной функции усилителя и частотного модулятора от частоты:Let it be required to provide the required dependences of the module m (AFC) and phase φ (PFC) of the transfer function of the amplifier and frequency modulator on frequency:

Figure 00000038
Figure 00000038

Подставим (5) или (6) в (7). После разделения между собой мнимых и действительных частей получим систему двух уравнений, эквивалентных (7):Substitute (5) or (6) in (7). After separating the imaginary and real parts from each other, we obtain a system of two equations equivalent to (7):

Figure 00000039
Figure 00000039

где

Figure 00000040
Where
Figure 00000040

Figure 00000041
Figure 00000041

Решение (8) имеет вид оптимальных по критерию (7) взаимосвязей между элементами классической матрицы передачи СРЧ:Solution (8) has the form of the optimal by criterion (7) interconnections between elements of the classic passive transmission matrix of the RMS:

Figure 00000042
Figure 00000042

где

Figure 00000043
Where
Figure 00000043

Figure 00000044
Figure 00000044

Figure 00000045
Figure 00000045

Оптимальные характеристики (9), обеспечивающие заданную крутизну и линейность левого склона АЧХ во всем диапазоне частот, реализовать невозможно. Здесь предлагается реализация квазиоптимальных характеристик, приблизительно совпадающих с оптимальными характеристиками в определенной полосе частот. Известно, что максимум АЧХ наблюдается на частоте, на которой фаза передаточной функции равна нулю. Это частота называется резонансной. Частота входного ЧМС изменяется относительно средней частоты в сторону уменьшения и в сторону увеличения на величину, равную девиации частоты. Назовем максимальную величину частоты ЧМС верхней частотой. Таким образом, если резонансная частота устройства расположена выше верхней частоты ЧМС, то изменение частоты ЧМС будет происходить на левом склоне АЧХ предлагаемого устройства, в результате чего произойдет преобразование входного ЧМС в АЧМС. Усиление амплитуды входного ЧМС в предлагаемом устройстве носит регенеративный характер - чем больше коэффициент усиления на резонансной частоте, тем уже рабочая полоса частот, и наоборот. Поэтому изменяя задаваемую и реализуемую в силу (9) величину модуля передаточной функции mр, равную значению m на резонансной частоте, мы можем регулировать величину квазилинейного участка левого склона АЧХ для обеспечения его совпадения с диапазоном изменения частоты входного ЧМС. Положим в (9) φ=0. ПолучимThe optimal characteristics (9), providing the specified slope and linearity of the left slope of the frequency response in the entire frequency range, cannot be realized. Here we propose the implementation of quasi-optimal characteristics that approximately coincide with the optimal characteristics in a certain frequency band. It is known that the maximum frequency response is observed at a frequency at which the phase of the transfer function is zero. This frequency is called resonant. The frequency of the input FMC changes relative to the average frequency in the direction of decreasing and increasing in the amount equal to the frequency deviation. We call the maximum value of the frequency of the emergency response the upper frequency. Thus, if the resonant frequency of the device is located above the upper frequency of the ChMS, then the change in the frequency of the ChMS will occur on the left slope of the frequency response of the proposed device, as a result of which the input ChMS will be converted to the ChMS. The amplification of the amplitude of the input HMS in the proposed device is regenerative in nature - the higher the gain at the resonant frequency, the narrower the working frequency band, and vice versa. Therefore, by changing the modulus of the transfer function m p specified and realized by virtue of (9), equal to the value of m at the resonant frequency, we can adjust the value of the quasilinear portion of the left slope of the frequency response to ensure that it coincides with the frequency range of the input HMS. We set φ = 0 in (9). Get

Figure 00000046
Figure 00000046

где

Figure 00000047
Остальные коэффициенты имеют тот же вид, что и в (9).Where
Figure 00000047
The remaining coefficients have the same form as in (9).

Реализация квазиоптимальных характеристик (10) осуществляется следующим образом. Выбираем типовую схему резистивного четырехполюсника с известной классической матрицей передачи. Находим отношения элементов классической матрицы передачи. Определенные таким образом коэффициенты

Figure 00000048
Figure 00000049
а подставляем в (10) и решаем полученную систему уравнений относительно двух выбранных параметров выбранной схемы СРЧ. Если в СРЧ-11 количество двухполюсников больше двух, то сопротивления остальных двухполюсников могут быть выбраны произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений. В соответствии с этим алгоритмом получены выражения для определения оптимальных по критерию (10) сопротивлений двух двухполюсников СРЧ в виде обратного Г-образного звена (фиг.3):The implementation of quasi-optimal characteristics (10) is as follows. We choose a typical resistive four-terminal circuit with a well-known classical transmission matrix. We find the relations of the elements of the classical transfer matrix. The coefficients thus determined
Figure 00000048
Figure 00000049
and substitute in (10) and solve the resulting system of equations with respect to the two selected parameters of the selected RF system. If in СРЧ-11 the number of two-terminal devices is more than two, then the resistances of the remaining two-terminal devices can be chosen arbitrarily or on the basis of any other physical considerations. In accordance with this algorithm, expressions are obtained for determining the optimal, according to criterion (10), resistances of two two-terminal SIR in the form of an inverse L-shaped link (Fig. 3):

Figure 00000050
Figure 00000050

где

Figure 00000051
Where
Figure 00000051

Предлагаемые технические решения имеют изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций (использование в качестве цепи внешней обратной связи произвольного четырехполюсника, параллельно подключенного к трехполюсному нелинейному элементу, включение трехполюсного нелинейного элемента и цепи обратной связи как единого узла между источником сигнала и входом резистивного четырехполюсника, включение высокочастотной нагрузки между выходом резистивного четырехполюсника и низкочастотной частью, выполненной из ФНЧ, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки (фиг. 2), выполнение согласующего резистивного четырехполюсника в виде обратного Г-образного соединения двух двухполюсников, выбор значений сопротивлений первого и второго резистивных двухполюсников r1 и r2 (фиг. 3)) обеспечивает одновременно усиление, преобразование ЧМС в АЧМС на левом склоне АЧХ, демодуляцию АЧМС, что эквивалентно частотной демодуляции.The proposed technical solutions have an inventive step, since it does not explicitly follow from the published scientific data and the known technical solutions that the claimed sequence of operations (using an arbitrary four-terminal device connected in parallel to a three-pole nonlinear element as an external feedback circuit, including a three-pole nonlinear element and a feedback circuit connection as a single node between the signal source and the input of the resistive four-terminal network, the inclusion of high-frequency th load between the output of the resistive quadripole and the low-frequency part made of a low-pass filter, the separation capacity and low-frequency loads (FIG. 2), performing the matching of the resistive quadrupole in an inverse T-shaped connection of the two two-terminal networks, the choice of values of resistances of the first and second resistive two-terminal r 1 and r 2 (Fig. 3)) provides both amplification, conversion of the HMF to the AMF on the left slope of the frequency response, demodulation of the AMF, which is equivalent to frequency demodulation.

Предлагаемые технические решения практически применимы, так как для их реализации могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью трехполюсные нелинейные элементы (транзисторы или лампы), резистивные элементы, сформированные в обратную Г-образную схему резистивного четырехполюсника (фиг. 3). Значения сопротивлений резистивных элементов могут быть однозначно определены с помощью математических выражений, приведенных в формуле изобретения.The proposed technical solutions are practically applicable, since for their implementation three-pole non-linear elements (transistors or lamps) commercially available by the industry, resistive elements formed into the inverse L-shaped circuit of a resistive four-terminal can be used (Fig. 3). The resistance values of the resistive elements can be uniquely determined using mathematical expressions given in the claims.

Технико-экономическая эффективность предложенного устройства заключается в обеспечении усиления и частотной демодуляции высокочастотного сигнала за счет выбора схемы и значений сопротивлений резистивных элементов согласующего резистивного четырехполюсника по критерию формирования левого склона АЧХ с заданными крутизной и коэффициентом усиления, что унифицирует устройство, увеличивает квазилинейный участок частотной демодуляционной характеристики и динамический диапазон в режиме усиления и частотной демодуляции.The technical and economic efficiency of the proposed device is to provide amplification and frequency demodulation of a high-frequency signal by selecting the circuit and the resistance values of the resistive elements of the matching resistive four-terminal device according to the criterion for the formation of the left slope of the frequency response with the specified slope and gain, which unifies the device, increases the quasilinear portion of the frequency demodulation characteristic and dynamic range in gain mode and frequency demodulation.

Claims (2)

1. Способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов, основанный на использовании энергии источника постоянного напряжения, взаимодействии частотно-модулированного сигнала с устройством, которое выполняют из цепи прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента, четырехполюсника, цепи внешней обратной связи, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, выполнении условий согласования цепи прямой передачи с цепью внешней обратной связи, условий согласования цепи внешней обратной связи с управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, условий согласования цепи прямой передачи и цепи внешней обратной связи с остальной частью устройства с заданным допуском, преобразовании частотно-модулированного сигнала в амплитудно-частотно-модулированный сигнал на левом склоне амплитудно-частотной характеристики, расщеплении спектра амплитудно-частотно-модулированного сигнала на низкочастотные и высокочастотные составляющие с помощью трехполюсного нелинейного элемента, выделении низкочастотной составляющей с помощью фильтра нижних частот, устранении постоянной составляющей с помощью разделительной емкости и получении на низкочастотной нагрузке низкочастотного сигнала, амплитуда которого изменяется по закону изменения частоты частотно-модулированного сигнала, отличающийся тем, что четырехполюсник выполняют резистивным, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный комплексный четырехполюсник, параллельно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включают между источником частотно-модулированного сигнала с комплексным сопротивлением и входом резистивного четырехполюсника, между выходом резистивного четырехполюсника и фильтром нижних частот включают высокочастотную нагрузку в виде двухполюсника с комплексным сопротивлением, значение модуля mp передаточной функции и резонансную частоту устройства выбирают из условия формирования заданной крутизны квазилинейного участка левого склона амплитудно-частотной характеристики устройства в заданной полосе частот, совпадающей с диапазоном изменения частоты частотно-модулированного сигнала, условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции выполняют путем реализации заданного значения mp на резонансной частоте за счет выбора значений параметров резистивного четырехполюсника в соответствии со следующими математическими выражениями:
Figure 00000052

где
Figure 00000053

Figure 00000054
A1=g110b21-b110g21; B1=g110g21+b110b21;
A2=g220g21+b220b21; B2=g21b220-g220b21; g220=b11x0-1-g11r0; b220=-(g11x0+b11r0);
g110=r0A3+x0B3-g22; b110=x0A3-b22-r0B3; A3=b11b22-b12b21-g11g22+g12g21;
B3=b11g22-b12g21-g12b21+b22g11;
Figure 00000055
,
Figure 00000056
;
Figure 00000057
- отношения соответствующих элементов классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника a, b, c, d; r0, rн, х0, хн - заданные значения действительных и мнимых составляющих сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки на резонансной частоте; g11,b11, g12,b12, g21,b21, g22,b22 - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей трехполюсного нелинейного элемента на резонансной частоте и соответствующих значений действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей цепи внешней обратной связи на резонансной частоте.
1. The method of amplification and demodulation of frequency-modulated signals, based on the use of energy from a constant voltage source, the interaction of the frequency-modulated signal with a device that is performed from a direct transmission circuit in the form of a three-pole nonlinear element, four-terminal, external feedback circuit, low-pass filter, separation capacitance and low-frequency load, meeting the conditions for matching the forward circuit with the external feedback circuit, matching conditions for the external feedback circuit connection with the control electrode of a three-pole nonlinear element, matching conditions for the direct transmission circuit and the external feedback circuit with the rest of the device with a given tolerance, converting the frequency-modulated signal into an amplitude-frequency-modulated signal on the left slope of the amplitude-frequency characteristic, splitting the spectrum of amplitude- frequency-modulated signal to low-frequency and high-frequency components using a three-pole nonlinear element, the selection of the low-frequency component with using a low-pass filter, eliminating the constant component using a separation capacitance, and obtaining a low-frequency signal at a low-frequency load, the amplitude of which changes according to the law of frequency change of the frequency-modulated signal, characterized in that the four-terminal is made resistive, an arbitrary complex four-terminal is used as the external feedback circuit connected in parallel to a three-pole non-linear element, a three-pole non-linear element and a feedback circuit as a single the second node is cascaded between the source of the frequency-modulated signal with complex resistance and the input of the resistive four-port, between the output of the resistive four-port and the low-pass filter include a high-frequency load in the form of a two-terminal with complex resistance, the value of the transfer function module m p and the resonant frequency of the device are selected from the formation condition the specified slope of the quasilinear portion of the left slope of the amplitude-frequency characteristic of the device in a given frequency band that matches the frequency range of the frequency-modulated signal, the matching conditions according to the criterion of simultaneously providing amplification and frequency demodulation are performed by realizing the set value m p at the resonant frequency by choosing the values of the parameters of the resistive four-terminal network in accordance with the following mathematical expressions:
Figure 00000052

Where
Figure 00000053

Figure 00000054
A 1 = g 110 b 21 -b 110 g 21 ; B 1 = g 110 g 21 + b 110 b 21 ;
A 2 = g 220 g 21 + b 220 b 21 ; B 2 = g 21 b 220 -g 220 b 21 ; g 220 = b 11 x 0 -1-g 11 r 0 ; b 220 = - (g 11 x 0 + b 11 r 0 );
g 110 = r 0 A 3 + x 0 B 3 -g 22 ; b 110 = x 0 A 3 -b 22 -r 0 B 3 ; A 3 = b 11 b 22 -b 12 b 21 -g 11 g 22 + g 12 g 21 ;
B 3 = b 11 g 22 -b 12 g 21 -g 12 b 21 + b 22 g 11 ;
Figure 00000055
,
Figure 00000056
;
Figure 00000057
- the ratio of the corresponding elements of the classical transmission matrix of the resistive quadrupole a , b, c, d; r 0 , r n , x 0 , x n - set values of the real and imaginary components of the resistance of the source of the input frequency-modulated signal and high-frequency load at the resonant frequency; g 11 , b 11 , g 12 , b 12 , g 21 , b 21 , g 22 , b 22 - given total values of the real and imaginary components of the conductivity matrix elements of a three-pole nonlinear element at the resonant frequency and the corresponding values of the real and imaginary components of the conductivity matrix elements external feedback circuits at a resonant frequency.
2. Устройство усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов, выполненное из источника постоянного напряжения, цепи прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента, четырехполюсника, цепи внешней обратной связи, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, отличающееся тем, что четырехполюсник выполнен резистивным, в качестве цепи внешней обратной связи использован произвольный комплексный четырехполюсник, параллельно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включены между источником частотно-модулированного сигнала с комплексным сопротивлением и входом резистивного четырехполюсника, между выходом резистивного четырехполюсника и фильтром нижних частот включена высокочастотная нагрузка в виде двухполюсника с комплексным сопротивлением, резистивный четырехполюсник выполнен в виде обратного Г-образного соединения двух резистивных двухполюсников с сопротивлениями r1,r2, значения которых выбраны из условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции в соответствии со следующими математическими выражениями:
Figure 00000058

где
Figure 00000059

Figure 00000060

Figure 00000061
A1=g110b21-b110g21; B1=g110g21+b110b21;
A2=g220g21+b220b21; B2=g21b220-g220b21; g220=b11x0-1-g11r0; b220=-(g11x0+b11r0);
g110=r0A3+x0B3-g22; b110=x0A3-b22-r0B3; A3=b11b22-b12b21-g11g22+g12g21;
B3=b11g22-b12g21-g12b21+b22g11; r0, rн, х0, хн - заданные значения действительных и мнимых составляющих сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки на резонансной частоте; g11,b11, g12,b12, g21,b21, g22,b22 - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей трехполюсного нелинейного элемента на резонансной частоте и соответствующих значений действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей цепи внешней обратной связи на резонансной частоте;
значение резонансной частоты и величина заданного и реализуемого модуля mp передаточной функции на резонансной частоте выбраны из условия формирования заданной крутизны квазилинейного участка левого склона амплитудно-частотной характеристики устройства в заданной полосе частот, совпадающей с диапазоном изменения частоты входного частотно-модулированного сигнала.
2. A device for amplifying and demodulating frequency-modulated signals made from a constant voltage source, a direct transmission circuit in the form of a three-pole nonlinear element, a four-terminal, external feedback circuit, a low-pass filter, a separation capacitance, and a low-frequency load, characterized in that the four-terminal is made resistive , as an external feedback circuit, an arbitrary complex four-terminal network connected in parallel to a three-pole nonlinear element was used; a three-pole the linear element and the feedback circuit as a single node are cascaded between the source of the frequency-modulated signal with complex resistance and the input of the resistive four-terminal, between the output of the resistive four-terminal and the low-pass filter, a high-frequency load is included in the form of a two-terminal with complex resistance, the resistive four-terminal is made in the form of a reverse G -shaped connection of two resistive bipolar with resistances r 1 , r 2 , the values of which are selected from the matching conditions for k Criteria for simultaneous gain and frequency demodulation in accordance with the following mathematical expressions:
Figure 00000058

Where
Figure 00000059

Figure 00000060

Figure 00000061
A 1 = g 110 b 21 -b 110 g 21 ; B 1 = g 110 g 21 + b 110 b 21 ;
A 2 = g 220 g 21 + b 220 b 21 ; B 2 = g 21 b 220 -g 220 b 21 ; g 220 = b 11 x 0 -1-g 11 r 0 ; b 220 = - (g 11 x 0 + b 11 r 0 );
g 110 = r 0 A 3 + x 0 B 3 -g 22 ; b 110 = x 0 A 3 -b 22 -r 0 B 3 ; A 3 = b 11 b 22 -b 12 b 21 -g 11 g 22 + g 12 g 21 ;
B 3 = b 11 g 22 -b 12 g 21 -g 12 b 21 + b 22 g 11 ; r 0 , r n , x 0 , x n - set values of the real and imaginary components of the resistance of the source of the input frequency-modulated signal and high-frequency load at the resonant frequency; g 11 , b 11 , g 12 , b 12 , g 21 , b 21 , g 22 , b 22 - given total values of the real and imaginary components of the conductivity matrix elements of a three-pole nonlinear element at the resonant frequency and the corresponding values of the real and imaginary components of the conductivity matrix elements external feedback circuits at a resonant frequency;
the value of the resonant frequency and the value of the given and realized module m p of the transfer function at the resonant frequency are selected from the condition for the formation of the specified slope of the quasilinear portion of the left slope of the amplitude-frequency characteristic of the device in a given frequency band that matches the frequency range of the input frequency-modulated signal.
RU2015110178/08A 2015-03-23 2015-03-23 Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and device therefor RU2599964C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015110178/08A RU2599964C1 (en) 2015-03-23 2015-03-23 Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and device therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015110178/08A RU2599964C1 (en) 2015-03-23 2015-03-23 Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and device therefor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2599964C1 true RU2599964C1 (en) 2016-10-20

Family

ID=57138461

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015110178/08A RU2599964C1 (en) 2015-03-23 2015-03-23 Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and device therefor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2599964C1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1840005A1 (en) * 1985-05-27 2006-07-20 Воронежский научно-исследовательский институт связи Device for demodulation of noise-like signal
RU2483436C2 (en) * 2011-04-20 2013-05-27 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method for frequency modulation and demodulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1840005A1 (en) * 1985-05-27 2006-07-20 Воронежский научно-исследовательский институт связи Device for demodulation of noise-like signal
RU2483436C2 (en) * 2011-04-20 2013-05-27 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method for frequency modulation and demodulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ГОНОРОВСКИЙ И.С. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ. - М: "СОВЕТСКОЕ РАДИО", 1977. с.190-193, 290-293, 311-316. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8913974B2 (en) RF power transmission, modulation, and amplification, including direct cartesian 2-branch embodiments
EP3093987A1 (en) Phase correction in a doherty power amplifier
RU2496222C2 (en) Method for generation and frequency-modulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method
RU2486639C1 (en) Method for generation and frequency-modulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method
RU2496192C2 (en) Method for generation and frequency-modulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method
RU2599531C2 (en) Method for generating and frequency modulating high-frequency signals and respective device
RU2599964C1 (en) Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and device therefor
RU2599965C1 (en) Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and device therefor
RU2552175C1 (en) Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and apparatus therefor
RU2463689C1 (en) Method for frequency modulation and demodulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method
RU2595571C2 (en) Method for generating and frequency modulating high-frequency signals and respective device
RU2591014C2 (en) Amplification and demodulation of fm signals and device to this end
RU2598797C1 (en) Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and device therefor
RU2605675C2 (en) Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and device therefor
RU2598792C1 (en) Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and device therefor
RU2599347C1 (en) Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and device therefor
RU2568389C1 (en) Method of amplification and demodulation of frequency-modulated signals and device for its implementation
RU2577913C2 (en) Method of amplification and demodulation of frequency-modulated signals and device for its implementation
RU2500066C2 (en) Method for generation and frequency-modulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method
RU2568387C1 (en) Method of amplification and demodulation of frequency-modulated signals and device for its implementation
RU2504898C1 (en) Method of demodulating phase-modulated and frequency-modulated signals and apparatus for realising said method
RU2568375C1 (en) Method for generation and frequency modulation of high-frequency signals and apparatus therefor
RU2483436C2 (en) Method for frequency modulation and demodulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method
RU2483429C2 (en) Method for frequency modulation and demodulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method
RU2461952C1 (en) Method for generating high-frequency signals and device for its realisation

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170324