RU2605675C2 - 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
RU2605675C2
RU2605675C2 RU2015110174/08A RU2015110174A RU2605675C2 RU 2605675 C2 RU2605675 C2 RU 2605675C2 RU 2015110174/08 A RU2015110174/08 A RU 2015110174/08A RU 2015110174 A RU2015110174 A RU 2015110174A RU 2605675 C2 RU2605675 C2 RU 2605675C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
terminal
given
low
resistance
Prior art date
Application number
RU2015110174/08A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015110174A (en
Inventor
Александр Афанасьевич Головков
Владимир Николаевич Гаврюшин
Владислав Викторович Кирюшкин
Дмитрий Сергеевич Куценко
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 RU2015110174/08A priority Critical patent/RU2605675C2/en
Publication of RU2015110174A publication Critical patent/RU2015110174A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2605675C2 publication Critical patent/RU2605675C2/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03D—DEMODULATION OR TRANSFERENCE OF MODULATION FROM ONE CARRIER TO ANOTHER
    • H03D3/00—Demodulation of angle-, frequency- or phase- modulated oscillations
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/38—Dc amplifiers with modulator at input and demodulator at output; Modulators or demodulators specially adapted for use in such amplifiers

Abstract

FIELD: radio engineering and communications.
SUBSTANCE: method of frequency-modulated signals amplifying and demodulating is characterised by that as external feedback circuit used is arbitrary complex four-terminal element connected in parallel to three polar nonlinear element, which with feedback circuit include as integral unit a cascade between source of 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, in series to resistance of source of frequency-modulated signal first reactive matching two-terminal element is included, in series to resistance of high-frequency load second reactive matching two-terminal element is included.
EFFECT: possibility of amplification and frequency demodulation with increased linear section of the frequency demodulation characteristics and increased dynamic range at arbitrary characteristics of the nonlinear element, external feedback circuit, load and parameters of resistive four-terminal element.
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, нагрузки и параметрах резистивного четырехполюсника.The invention relates to the fields of radio communication, radar, radio navigation and electronic warfare and can be used to create multifunction 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, load, and parameters resistive quadripole.

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.: «Сов. 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 .: “Owls. 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 вольтамперной характеристики двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением [Радиоприемные устройства. Под общей редакцией В.И. Сифорова. М.: «Сов. 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 вольтамперной 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 .: “Owls. 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 source of constant voltage (current), the operating point of the nonlinear element is set on the falling section of its volt-ampere characteristic. 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 части 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 from 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 вольтамперной 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, the input circuit in the form of a parallel oscillatory circuit, RC-circuit external positive back connection (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 transfer 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 вольтамперной 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 наличию резистивного четырехполюсника и согласования с помощью двух реактивных двухполюсников, включаемых последовательно сопротивлениям нагрузки и источника входного сигнала. 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 the presence of a resistive four-terminal device and matching using two reactive two-terminal devices connected in series to the load resistances and the input signal source. 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, последовательно сопротивлению источника частотно-модулированного сигнала включают первый реактивный согласующий двухполюсник, последовательно сопротивлению высокочастотной нагрузки включают второй реактивный согласующий двухполюсник, условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции выполняют за счет выбора частотных зависимостей сопротивлений первого x1 и второго x2 реактивных согласующих двухполюсников 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 unit 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, in series the resistance of the source of the frequency-modulated signal include the first reactive matching bipolar, in series with the resistance of the high-frequency load VK they include the second reactive matching two-terminal, the matching conditions according to the criterion of simultaneously providing amplification and frequency demodulation are performed by selecting the frequency dependences of the resistances of the first x 1 and second x 2 reactive matching two-terminal in accordance with the following mathematical expressions:

Figure 00000001
Figure 00000001

где X=B2D1-D2B1; Y=A2D1-D2A1+B2С1-C2B1; Z=A2C1-С2A1;where X = B 2 D 1 -D 2 B 1 ; Y = A 2 D 1 -D 2 A 1 + B 2 C 1 -C 2 B 1 ; Z = A 2 C 1 -C 2 A 1 ;

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
- заданные отношения соответствующих элементов классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника a, b, c, d; r0, rн, x0, xн - заданные зависимости действительных и мнимых составляющих сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки от частоты в заданной полосе частот; g11, b11, g12, b12, g21, b2l, g22, b22 - заданные суммарные зависимости действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей трехполюсного нелинейного элемента от частоты в заданной полосе частот и соответствующих зависимостей действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей цепи внешней обратной связи от частоты в заданной полосе частот; m, φ - заданные зависимости модуля и фазы передаточной функции устройства от частоты для формирования левого склона АЧХ с заданной крутизной.
Figure 00000003
- the given relations of the corresponding elements of the classical transmission matrix of the resistive four-terminal a, b, c, d; r 0 , r n , x 0 , x n - the given dependences of the real and imaginary components of the resistance of the source of the input frequency-modulated signal and high-frequency load on frequency in a given frequency band; g 11 , b 11 , g 12 , b 12 , g 21 , b 2l , g 22 , b 22 are the given total dependences of the real and imaginary components of the conductivity matrix elements of a three-pole nonlinear element on the frequency in a given frequency band and the corresponding dependencies of real and imaginary components elements of the conductivity matrix of the external feedback circuit of the frequency in a given frequency band; m, φ are the given dependences of the module and phase of the transfer function of the device on frequency for the formation of the left slope of the frequency response with a given slope.

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, последовательно сопротивлению источника частотно-модулированного сигнала включен первый реактивный согласующий двухполюсник, последовательно сопротивлению высокочастотной нагрузки включен второй реактивный согласующий двухполюсник, первый и второй реактивные согласующие двухполюсники выполнены в виде параллельно соединенных параллельного L1k, C1k и последовательного L2k, C2k контуров, параметры 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 unit 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, series resistance the source of the frequency-modulated signal included the first reactive matching two-terminal, follower a resistance high load included a second reactive matching two-pole, the first and second reactive matching bipole are in the form of parallel-connected parallel L 1k, C 1k and serial L 2k, C 2k circuits, parameters of which are selected from the condition score matching simultaneously provide gain and frequency demodulation in accordance with the following mathematical expressions:

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
- заданные отношения соответствующих элементов классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника a, b, c, d; r0i, x0i, rнi, xнi - заданные значения действительных и мнимых составляющих сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки на четырех заданных частотах; g11i, b11i, g12i, b12i, g21i, b2li, g22i, b22i - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей трехполюсного нелинейного элемента на заданных четырех частотах в заданной полосе частот и соответствующих значений действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей цепи внешней обратной связи на заданных четырех частотах в заданной полосе частот; mi, φi - заданные значения модулей и фаз передаточной функции устройства на четырех заданных частотах для формирования левого склона АЧХ с заданной крутизной; ωi=2πfi; fi - заданные частоты; i=1, 2, 3, 4 - номера заданных частот; k=1, 2 - индекс, характеризующий оптимальные значения сопротивлений и параметров первого и второго реактивных согласующих двухполюсников соответственно.
Figure 00000006
- the given relations of the corresponding elements of the classical transmission matrix of the resistive four-terminal a, b, c, d; r 0i , x 0i , r нi , x нi - 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 four given frequencies; g 11i , b 11i , g 12i , b 12i , g 21i , b 2li , g 22i , b 22i are the given total values of the real and imaginary components of the conductivity matrix of a three-pole nonlinear element at given four frequencies in a given frequency band and the corresponding values of real and imaginary constituent elements of the conductivity matrix of the external feedback circuit at given four frequencies in a given frequency band; m i , φ i - the set values of the modules and phases of the transfer function of the device at four predetermined frequencies to form the left slope of the frequency response with a given slope; ω i = 2πf i ; f i - given frequencies; i = 1, 2, 3, 4 - numbers of the given frequencies; k = 1, 2 is the index characterizing the optimal values of the resistances and parameters of the first and second reactive matching bipolar, respectively.

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 реактивных двухполюсников, реализующих оптимальные значения сопротивлений первого и второго реактивных согласующих двухполюсников предлагаемого устройства (фиг. 2).In FIG. 3. shows a diagram of reactive two-terminal devices that implement the optimal resistance values of the first and second reactive matching two-terminal devices 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 - 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 СР-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 - 2, a matching device SU-3 in the form of a four-pole 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 CPU 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)-2 рабочая точка нелинейного элемента-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 вольтамперной характеристики, а входной ЧМС преобразуется в АЧМС. Нелинейный элемент-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-7. Происходит демодуляция ЧМС.When you turn on the source of constant voltage (current) -2, the operating point of the nonlinear element-1 is set in the middle of the quasilinear section of its passage volt-ampere 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. Non-linear element-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 changing the frequency of the input HMS, enters the low-frequency load-7. There is demodulation of the emergency response.

Недостатки способа-прототипа и устройства его реализации описаны выше.The disadvantages of the prototype method and device for its implementation are described above.

Предлагаемое устройство по п. 2 (фиг. 2), реализующее предлагаемый способ по п. 1, содержит трехполюсный нелинейный элемент-1 с известными элементами матрицы проводимостей нелинейного элемента (VT)

Figure 00000007
Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
на заданных частотах, подключенный к источнику постоянного напряжения - 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. Последовательно источнику входного ЧМС с сопротивлением z0i=r0i+jx0i - 8 на заданных частотах подключен первый согласующий реактивный двухполюсник-11. с сопротивлением x1i на заданных частотах. Источник ЧМС с последовательно подключенными сопротивлениями 8 и 11 подключены к входу узла из нелинейного элемента-1 и четырехполюсника-10. К выходу этого узла подключен произвольный резистивный четырехполюсник РЧ-12, между выходом РЧ-12 и ФНЧ-5 параллельно включена высокочастотная нагрузка -13 с заданными сопротивлениями zнi=rнi+jxнi на заданных частотах с последовательно подключенным сопротивлением x2i, второго согласующего реактивного двухполюсника-14 на заданных частотах. Произвольный четырехполюсник-10 тоже характеризуется известными значениями элементов матрицы проводимостей
Figure 00000011
Figure 00000012
Figure 00000013
Figure 00000014
на заданных частотах (i=1, 2… - номер частоты). Четырехполюсник - 12 может быть выполнен в виде произвольного соединения произвольного количества резистивных двухполюсников. Этот четырехполюсник описывается известными элементами классической матрицы передачи a, b, c, d. Синтез усилителя и частотного демодулятора (выбор оптимальных частотных зависимостей сопротивлений первого x1-11 и второго x2-14 реактивных согласующих двухполюсников) осуществлен по критерию обеспечения заданной крутизны левого склона АЧХ в заданной полосе частот. Реализация этих частотных характеристик осуществлена путем выбора схем формирования этих двухполюсников в виде параллельно соединенных параллельного L1k, C1k и последовательного L2k, C2k контуров (фиг. 3) и значений параметров их элементов по критерию совпадения их частотных характеристик и оптимальных на четырех заданных частотах. В результате реализуется увеличенный квазилинейный участок частотной демодуляционной характеристики и динамический диапазон.The proposed device according to p. 2 (Fig. 2), which implements the proposed method according to p. 1, contains a three-pole non-linear element-1 with known elements of the conductivity matrix of a non-linear element (VT)
Figure 00000007
Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
at specified frequencies, connected to a constant voltage source - 2 and connected in parallel at a 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 4-terminal-10, formed in the general case on two-terminal devices with complex resistances. In series with the source of the input HMS with resistance z 0i = r 0i + jx 0i - 8 at the given frequencies, the first matching reactive two-terminal-11 is connected. with resistance x 1i at given frequencies. An FMC source with series-connected resistances 8 and 11 is connected to the input of a node from a nonlinear element-1 and a four-terminal-10. An arbitrary resistive four-terminal RF-12 is connected to the output of this node, between the RF-12 and LPF-5 output, a high-frequency load of -13 with specified resistances z ni = r ni + jx ni at given frequencies with a series-connected resistance x 2i , the second matching reactive bipolar-14 at given frequencies. An arbitrary four-terminal-10 is also characterized by the known values of the elements of the conductivity matrix
Figure 00000011
Figure 00000012
Figure 00000013
Figure 00000014
at given frequencies (i = 1, 2 ... - frequency number). Four-terminal - 12 can be made in the form of an arbitrary connection of an arbitrary number of resistive two-terminal. This quadrupole is described by the well-known elements of the classical transfer matrix a, b, c, d. The synthesis of the amplifier and the frequency demodulator (the choice of the optimal frequency dependences of the resistances of the first x 1 -11 and second x 2 -14 reactive matching two-terminal devices) was carried out according to the criterion of providing a given slope of the left slope of the frequency response in a given frequency band. The implementation of these frequency characteristics is carried out by choosing the circuits of the formation of these two-terminal networks in the form of parallel connected parallel L 1k , C 1k and serial L 2k , C 2k circuits (Fig. 3) and the values of the parameters of their elements according to the criterion for the coincidence of their frequency characteristics and the optimal at four given frequencies. As a result, an enlarged quasilinear section of the frequency demodulation characteristic and a dynamic range are realized.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.The proposed device operates as follows.

При включении источника постоянного напряжения (тока) - 2 рабочая точка нелинейного элемента-1 устанавливается на начальном участке его проходной вольт-амперной характеристики (режим работы с отсечкой, позволяющий разрушать спектр сигнала). Благодаря согласованию с помощью первого 11 и второго 14 согласующих реактивных двухполюсников ЦПП и ОС как единого целого 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 - 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 - 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.When you turn on the source of constant voltage (current) - 2, the operating point of the nonlinear element-1 is set at the initial section of its through-current voltage-current characteristic (the mode of operation with cut-off, which allows to destroy the signal spectrum). Due to the coordination with the first 11 and second 14 matching reactive two-terminal circuits of the CPU and operating system as a whole 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, as well as the left slope of the frequency response with a given slope 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. Non-linear element - 1 splits (destroys) the frequency response spectrum into components, the low-pass filter-5 isolates the low-frequency component, and suppresses the others, the separation capacitance CP-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, is applied to the low-frequency load - 7. There is demodulation of the FMC, frequency and non-linear 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 и первого согласующего реактивного двухполюсника z01=r0+jx0l (x01=х0+x1), нагрузки и второго согласующего реактивного двухполюсника zн2=rн+jxн2 (хн2=хн+х2) и зависимостей элементов матрицы проводимостей нелинейного элемента (VT)

Figure 00000015
Figure 00000016
Figure 00000017
Figure 00000018
цепи внешней обратной связи (ОС)
Figure 00000019
Figure 00000020
Figure 00000021
Figure 00000022
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, y2l=g21+jb2l, y22=g22+jb22. Параметры нелинейного элемента зависят, кроме того, от амплитуды низкочастотного управляющего сигнала. Для простоты аргументы (амплитуда и частота) опущены. Требуется определить частотные зависимости сопротивлений x1, x2 (аппроксимирующие функции) первого и второго реактивных согласующих двухполюсников, оптимальные по критерию обеспечения условий формирования левого склона АЧХ и усиления амплитуды ЧМС в режиме частотной демодуляции и усиления.Let us introduce the designations of the dependences of the resistance of the signal source and the first matching reactive two-terminal z 01 = r 0 + jx 0l (x 01 = x 0 + x 1 ), the load and the second matching reactive two-terminal z n2 = r n + jx n2 (x n2 = x n + x 2 ) and the dependences of the elements of the conductivity matrix of a nonlinear element (VT)
Figure 00000015
Figure 00000016
Figure 00000017
Figure 00000018
external feedback circuit (OS)
Figure 00000019
Figure 00000020
Figure 00000021
Figure 00000022
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 2l = g 21 + jb 2l , 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 frequency dependences of the resistances x 1 , x 2 (approximating functions) of the first and second reactive matching two-terminal circuits, which are optimal according to the criterion for providing the conditions for the formation of the left slope of the frequency response and amplification of the FSM amplitude in the frequency demodulation and amplification mode.

VT и цепь ОС описываются матрицей проводимостей и матрицей передачи:VT and the OS circuit are described by the conductivity matrix and the transfer matrix:

Figure 00000023
Figure 00000023

где

Figure 00000024
. Резистивный четырехполюсник (РЧ) характеризуется матрицей передачи:Where
Figure 00000024
. Resistive four-terminal (RF) is characterized by a transmission matrix:

Figure 00000025
Figure 00000025

где

Figure 00000026
a, b, c, d - элементы классической матрицы передачи.Where
Figure 00000026
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:

Figure 00000027
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 00000027

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 of the elements of the scattering matrix with the elements of the classical transmission matrix (Feldstein A.L., Yavich L.R. Synthesis of four-terminal and eight-terminal devices on a microwave. M .: Communication, 1971. p. 34-36) and a 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 00000028
Figure 00000028

где

Figure 00000029
Figure 00000030
Where
Figure 00000029
Figure 00000030

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

Figure 00000031
. ПоэтомуIt can be shown that the transmission coefficient (4) is related to a physically realized transfer function by a simple relation
Figure 00000031
. therefore

Figure 00000032
Figure 00000032

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 00000033
Figure 00000033

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

Figure 00000034
Figure 00000034

где

Figure 00000035
Where
Figure 00000035

Figure 00000036
Figure 00000036

Решение (7) имеет вид оптимальных по критерию (6) частотных зависимостей:

Figure 00000037
Solution (7) has the form of frequency dependences optimal by criterion (6):
Figure 00000037

X=B2Dl-D2B1; Y=A2D1-D2A1+B2С1-C2B1; Z=A2C1-C2A1.X = B 2 D l -D 2 B 1 ; Y = A 2 D 1 -D 2 A 1 + B 2 C 1 -C 2 B 1 ; Z = A 2 C 1 -C 2 A 1 .

Оптимальные характеристики (8), 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. Такая реализация может быть осуществлена различными способами, например, с помощью метода интерполяции. Для этого необходимо сформировать двухполюсники с сопротивлениями x1, x2 из не менее, чем N (числа частот интерполяции) реактивных элементов, найти выражения для их сопротивлений, приравнять их оптимальным значениям сопротивлений двухполюсников на заданных частотах, определенным по формулам (8), и решить сформированную таким образом систему N уравнений относительно N выбранных параметров реактивных элементов. Значения параметров остальных элементов могут быть выбраны произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений, например, из условия физической реализуемости.The optimal characteristics (8), providing a given 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. Such an implementation can be carried out in various ways, for example, using the interpolation method. For this, it is necessary to form two-terminal networks with resistances x 1 , x 2 of at least N (the number of interpolation frequencies) of the reactive elements, find expressions for their resistance, equate them to the optimal values of the resistance of two-terminal devices at given frequencies, determined by formulas (8), and solve the thus formed system of N equations with respect to N selected parameters of reactive elements. The parameter values of the remaining elements can be chosen arbitrarily or on the basis of any other physical considerations, for example, from the condition of physical realizability.

В соответствии с этим алгоритмом получены математические выражения для определения значений параметров реактивного двухполюсника в виде параллельно соединенных параллельного L1k, С1к и последовательного L2k, C2k контуров (фиг. 3), оптимальных по критерию обеспечения заданных величин модулей и фаз передаточной функции (6) на четырех частотах ωi=2πfi.In accordance with this algorithm, mathematical expressions are obtained for determining the parameters of a reactive bipolar in the form of parallel connected parallel L 1k , C 1k and serial L 2k , C 2k circuits (Fig. 3), optimal according to the criterion for ensuring the given values of the modules and phases of the transfer function ( 6) at four frequencies ω i = 2πf i .

Исходная система уравнений:The original system of equations:

Figure 00000038
Figure 00000038

Решение:Decision:

Figure 00000039
Figure 00000039

Figure 00000040
Figure 00000040

Обобщенный индекс k введен для определения параметров первого и второго согласующих двухполюсников. При k=1 имеем параметры для первого двухполюсника, при k=2 - для второго, i=1, 2, 3, 4 - номера частот. Индекс i можно ввести и для других величин, которые зависят от частоты явным образом.The generalized index k is introduced to determine the parameters of the first and second matching two-terminal networks. For k = 1, we have parameters for the first two-terminal, for k = 2, for the second, i = 1, 2, 3, 4 — frequency numbers. Index i can also be introduced for other quantities that explicitly depend on the frequency.

Реализация оптимальных аппроксимаций частотных характеристик x1, x2 (8) с помощью характеристик (9),которые при параметрах (10) являются квазиоптимальными характеристиками, обеспечивает в окрестности этих четырех частот заданную крутизну левого склона АЧХ (m) в интересах усиления и преобразования ЧМС в АЧМС в режиме усиления и частотной демодуляции. Если частоты f1, f2, f3, f4 располагаются в порядке возрастания, то величины m1, m2, m3, m4 надо задавать возрастающими и с заданной крутизной. При разумном выборе положений задаваемых частот f1, f2, f3, f4 относительно друг друга квазилинейный склон АЧХ в окрестности этих четырех частот будет незначительно отличаться от линейного при их полном совпадении на четырех частотах. Если рабочую точку устанавливать на середине квазилинейного участка проходной вольт-амперной характеристики нелинейного элемента, то описанный алгоритм позволяет синтезировать устройство, функционирующее только в режиме усиления (без демодуляции). В этом случае выходной сигнал необходимо снимать с высокочастотной нагрузки-13, АЧХ (m) задавать плоской (величины m1=m2=m3=m4), а входной сигнал может быть произвольным, а не только ЧМС.The implementation of optimal approximations of the frequency characteristics x 1 , x 2 (8) using the characteristics (9), which are quasi-optimal characteristics with parameters (10), provides in the vicinity of these four frequencies the specified slope of the left slope of the frequency response (m) in the interests of amplification and conversion of the FM in frequency response in gain mode and frequency demodulation. If the frequencies f 1 , f 2 , f 3 , f 4 are arranged in increasing order, then the values of m 1 , m 2 , m 3 , m 4 must be set increasing and with a given slope. With a reasonable choice of the positions of the set frequencies f 1 , f 2 , f 3 , f 4 relative to each other, the quasilinear slope of the frequency response in the vicinity of these four frequencies will slightly differ from the linear frequency when they completely coincide at four frequencies. If you set the operating point in the middle of the quasilinear section of the through-current volt-ampere characteristic of a nonlinear element, then the described algorithm allows you to synthesize a device that operates only in amplification mode (without demodulation). In this case, the output signal must be removed from the high-frequency load-13, the frequency response (m) must be set flat (values m 1 = m 2 = m 3 = m 4 ), and the input signal can be arbitrary, not just the HMS.

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), подключение первого и второго согласующих реактивных двухполюсников последовательно сопротивлениям источника сигнала и высокочастотной нагрузки соответственно, выбор частотных характеристик первого и второго согласующих реактивных двухполюсников x1 и x2, формирование их схем в указанном виде (фиг. 3), выбор значений их параметров) 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 four-terminal and the low-frequency part made of the low-pass filter, the separation capacitance and the low-frequency load (Fig. 2), connecting the first and second matching reactive two-poles in series to the resistance of the signal source and high-frequency load, respectively, the choice of frequency characteristics of the first and second matching reactive two-poles x 1 and x 2, the formation of circuits in the specified (FIG. 3), the selection of parameter values) provides simultaneous amplification, converts ACHMS of HMS in the left slope of the frequency response, demodulation ACHMS, equivalent to a frequency demodulation.

Предлагаемые технические решения практически применимы, так как для их реализации могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью трехполюсные нелинейные элементы (транзисторы или лампы), реактивные элементы, сформированные в заявленные схемы реактивных двухполюсников (фиг. 3). Значения параметров индуктивностей и емкостей этих схем 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, reactive elements formed in the declared schemes of reactive two-terminal circuits (Fig. 3) can be used. The values of the parameters of the inductances and capacitances of these circuits 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 параметров реактивных элементов первого и второго согласующих реактивных двухполюсников 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 circuitry and parameter values of the reactive elements of the first and second matching reactive two-terminal devices 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 section frequency demodulation characteristics 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, последовательно сопротивлению источника частотно-модулированного сигнала включают первый реактивный согласующий двухполюсник, последовательно сопротивлению высокочастотной нагрузки включают второй реактивный согласующий двухполюсник, условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции выполняют за счет выбора частотных зависимостей сопротивлений первого х1 и второго х2 реактивных согласующих двухполюсников в соответствии со следующими математическими выражениями:
Figure 00000041

где X=B2D1-D2B1; Y=A2D1-D2A1+B2C1-C2B1; Z=A2C1-C2A1;
Figure 00000042
- заданные отношения соответствующих элементов классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника a, b, c, d; r0, rн, x0, хн - заданные зависимости действительных и мнимых составляющих сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки от частоты в заданной полосе частот; g11, b11, g12, b12, g21, b21, g22, b22 - заданные суммарные зависимости действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей трехполюсного нелинейного элемента от частоты в заданной полосе частот и соответствующих зависимостей действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей цепи внешней обратной связи от частоты в заданной полосе частот; m, φ - заданные зависимости модуля и фазы передаточной функции устройства от частоты для формирования левого склона АЧХ с заданной крутизной.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, in series the resistance of the source of the frequency-modulated signal include the first reactive matching two-terminal high-frequency load resistance include a second reactive matching bipole nick condition acceptance criterion for ensuring the simultaneous amplification and frequency-demodulation is performed by selecting the frequency dependences of the resistance of the first and second x 1 x 2 two-terminal reactive matching in accordance with the following mathematical expression:
Figure 00000041

where X = B 2 D 1 -D 2 B 1 ; Y = A 2 D 1 -D 2 A 1 + B 2 C 1 -C 2 B 1 ; Z = A 2 C 1 -C 2 A 1 ;
Figure 00000042
- the given relations of the corresponding elements of the classical transmission matrix of the resistive four-terminal a, b, c, d; r 0 , r n , x 0 , x n - the given dependences of the real and imaginary components of the resistance of the source of the input frequency-modulated signal and high-frequency load on frequency in a given frequency band; g 11 , b 11 , g 12 , b 12 , g 21 , b 21 , g 22 , b 22 - given total dependences of the real and imaginary components of the conductivity matrix elements of a three-pole nonlinear element on the frequency in a given frequency band and the corresponding dependencies of real and imaginary components elements of the conductivity matrix of the external feedback circuit of the frequency in a given frequency band; m, φ are the given dependences of the module and phase of the transfer function of the device on frequency for the formation of the left slope of the frequency response with a given slope. 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, последовательно сопротивлению источника частотно-модулированного сигнала включен первый реактивный согласующий двухполюсник, последовательно сопротивлению высокочастотной нагрузки включен второй реактивный согласующий двухполюсник, первый и второй реактивные согласующие двухполюсники выполнены в виде параллельно соединенных параллельного L1k, C1k и последовательного L2k, C2k контуров, параметры которых выбраны из условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции в соответствии со следующими математическими выражениями:
Figure 00000043

где
Figure 00000044

Figure 00000045

Figure 00000046

B3=b11ig22i+g11ib22i-g12ib21i-b12ig21i;
Figure 00000047
- заданные отношения соответствующих элементов классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника a, b, c, d; r0i, x0i, rнi, xнi - заданные значения действительных и мнимых составляющих сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки на четырех заданных частотах; g11i, b11i, g12i, b12i, g21i, b21i, g22i, b22i - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей трехполюсного нелинейного элемента на заданных четырех частотах в заданной полосе частот и соответствующих значений действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей цепи внешней обратной связи на заданных четырех частотах в заданной полосе частот; mi, φi - заданные значения модулей и фаз передаточной функции устройства на четырех заданных частотах для формирования левого склона АЧХ с заданной крутизной; ωi=2πfi; fi - заданные частоты; i=1, 2, 3, 4 - номера заданных частот; k=1, 2 - индекс, характеризующий оптимальные значения сопротивлений и параметров первого и второго реактивных согласующих двухполюсников соответственно. 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, in series the resistance of the source of the frequency-modulated signal the first reactive matching bipolar is turned on, in series with the high-frequency load resistance The second reactive matching two-terminal device is accessible, the first and second reactive matching two-terminal devices are made in the form of parallel connected parallel L 1k , C 1k and serial L 2k , C 2k circuits, the parameters of which are selected from the matching condition according to the criterion of simultaneously providing amplification and frequency demodulation in accordance with the following mathematical expressions:
Figure 00000043

Where
Figure 00000044

Figure 00000045

Figure 00000046

B 3 = b 11i g 22i + g 11i b 22i -g 12i b 21i -b 12i g 21i ;
Figure 00000047
- the given relations of the corresponding elements of the classical transmission matrix of the resistive four-terminal a, b, c, d; r 0i , x 0i , r нi , x нi - 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 four given frequencies; g 11i , b 11i , g 12i , b 12i , g 21i , b 21i , g 22i , b 22i are the given total values of the real and imaginary components of the conductivity matrix of a three-pole nonlinear element at given four frequencies in a given frequency band and the corresponding values of real and imaginary constituent elements of the conductivity matrix of the external feedback circuit at given four frequencies in a given frequency band; m i , φ i - the set values of the modules and phases of the transfer function of the device at four predetermined frequencies to form the left slope of the frequency response with a given slope; ω i = 2πf i ; f i - given frequencies; i = 1, 2, 3, 4 - numbers of the given frequencies; k = 1, 2 is the index characterizing the optimal values of the resistances and parameters of the first and second reactive matching bipolar, respectively.
RU2015110174/08A 2015-03-23 2015-03-23 Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and device therefor RU2605675C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015110174/08A RU2605675C2 (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
RU2015110174/08A RU2605675C2 (en) 2015-03-23 2015-03-23 Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and device therefor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015110174A RU2015110174A (en) 2016-10-20
RU2605675C2 true RU2605675C2 (en) 2016-12-27

Family

ID=57138382

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015110174/08A RU2605675C2 (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) RU2605675C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4A (en) * 1836-08-10 Stock
RU2005140107A (en) * 2003-05-22 2006-08-10 Джэпэн Сайенс Энд Текнолоджи Эйдженси (Jp) METHOD AND DEVICE FOR DEMODULATION OF FREQUENCY-MODULATED SIGNAL
RU2463689C1 (en) * 2011-04-13 2012-10-10 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
RU2483435C2 (en) * 2011-04-13 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 (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4A (en) * 1836-08-10 Stock
RU2005140107A (en) * 2003-05-22 2006-08-10 Джэпэн Сайенс Энд Текнолоджи Эйдженси (Jp) METHOD AND DEVICE FOR DEMODULATION OF FREQUENCY-MODULATED SIGNAL
RU2463689C1 (en) * 2011-04-13 2012-10-10 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
RU2483435C2 (en) * 2011-04-13 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

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015110174A (en) 2016-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
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
RU2462811C2 (en) High-frequency signal generation method, and device for its implementation
RU2599531C2 (en) Method for generating and frequency modulating high-frequency signals and respective device
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
RU2599965C1 (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
RU2599347C1 (en) Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and device therefor
RU2599964C1 (en) Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and device therefor
RU2598797C1 (en) Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and device 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
RU2568387C1 (en) Method of amplification and demodulation of frequency-modulated signals and device for its implementation
RU2552175C1 (en) Method of amplifying and demodulating frequency-modulated signals and apparatus therefor
RU2591014C2 (en) Amplification and demodulation of fm signals and device to this end
RU2599352C2 (en) Method of generating high-frequency signals and device therefor
RU2500066C2 (en) Method for generation and frequency-modulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method
RU2598689C2 (en) Method of generating high-frequency signals and device therefor
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
RU2461952C1 (en) Method for generating high-frequency signals and device for its realisation
RU2483429C2 (en) Method for frequency modulation and demodulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method
RU2483436C2 (en) Method for frequency modulation and demodulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method

Legal Events

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

Effective date: 20170324