CC BY
148
УДК 621.396.62
МОДЕЛИРОВАНИЕ КВАДРАТУРНОГО ФАЗОВОГО МОДУЛЯТОРА НА БАЗЕ БАЛАНСНЫХ МОДУЛЯТОРОВ В КВАДРАТУРНЫХ КАНАЛАХ С ЦИФРОВЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ В РЕЖИМЕ ГАРМОНИЧЕСКОГО
МОДУЛИРУЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
С.А. Шерстюков
Полученные результаты моделирования структурной схемы квадратурного фазового модулятора (КФМ) на базе балансных модуляторов в квадратурных каналах свидетельствуют об эффективности автокомпенсации амплитудных и фазовых искажений при использовании цифровых синусно-косинусных преобразователей в режиме формирования индекса фазовой модуляции т<31,4 рад. Имеется возможность формирования на базе предложенной структурной схемой КФМ радиосигналов с угловой модуляцией с более высокими значениями индексов модуляции
Ключевые слова: квадратурный фазовый модулятор, синусно-косинусный преобразователь, схемотехническая модель, паразитная модуляция
В работах [1, 2] на основании анализа амплитудных и фазовых модуляционных характеристик КФМ на базе балансных модуляторов (перемножи-телей сигналов) в зависимости от точности реализации цифровых функциональных преобразователей модулирующего напряжения, показана возможность формирования неискажённых широкополосных фазомодулированных сигналов с индексом фазовой модуляции m<p=31,4 рад. Объектом исследования являлась структурная схема КФМ, представленная на рис. 1, в которой элементы БМ1, БМ2, ФВ и С1 объединены в радиочастотную интегральную микросхему векторного модулятора [3], а работа цифровых функциональных преобразователей модулирующего напряжения строится на алгоритмах, описанных в [4, 5].
Для оценки точности формирования широкополосных фазомодулированных сигналов и эффективности автокомпенсации амплитудных и фазовых искажений КФМ в режиме формирования индекса фазовой модуляции m<31,4 рад, проведём моделирование с использованием средств и методов вычислительной техники. Основным инструментом моделирования структурной схемы КФМ выбрана система схемотехнического моделирования (ССМ) OrCAD 9.1, имеющая возможность подключения моделей первичных сигналов, разработанных в программной среде MathCAD 14 [6, 7].
Преобразуем аналитические выражения, описывающие работу цифровых функциональных преобразователей модулирующего сигнала
ек = 1 - — E2 sin2 Qt + — E4 sin4 Qt +...
2! 4! (1)
+---E98 sin98 Qt + Да'1пх{п),
98!
1 3 3
ec = E sin Qt-E sin Qt ±...
C 3!
(2)
-99!E99 sin99 Qt + Дsinx(n),
где Asinx(n) - погрешность вычисления входного параллельного кода функции sin x(n), в программные коды MathCAD 14, а результаты преобразований запишем в таблицу.
В табл.: в строке 1 формируются отсчёты индексной переменной j (управляющей переменной), которая используется для индексации массивов, необходимых для модели, формируются отсчёты времени tj и частоты f, задаются амплитуда и частота гармонического модулирующего воздействия, а также учитывается погрешность синуснокосинусного преобразования модулирующего сигнала A; в строке 2 формируется временное представление гармонического модулирующего сигнала; в строках 3 и 4 формируются временные представления сигналов функций sin(x) и cos(x); в строках 5 и 6 рассчитываются комплексные спектры сигналов функций sin(x) и cos(x), их модулей, а также выполняются нормировки амплитудночастотных спектров результирующих сигналов с использованием переменной г. Результаты присваиваются, соответственно, идентификаторам
SSSTj и CSSTj и строятся графики полученных массивов от отсчётов частотыJj. На рис. 2 а, б и рис. 3
а, б показаны, соответственно, временные формы и спектры сигналов функций sin(x) и cos(x), полученные на основании табл. в режиме гармонического модулирующего воздействия.
Шерстюков Сергей Анатольевич - ВИ МВД России, канд. техн. наук, доцент, E-mail: [email protected]
Uj
U3
і /
e
U2
ek t
uc
u4
ГМ
Векторный
модулятор
0ДІЛ1ТОРОЕ (квадратурных каналах и цифровыми фунКЦ^фЛ^ ЩП аналого-цифровой преобразователь, ЦКП, ДСП - цифрОві
Рис. 1. Структурная схема КФМ на базе балансных мод
преобразователями модулирующего напряжения: АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ЦКП, ЦСП - цифровые косинусный и синусный преобразователи, ЦАП - цифро-аналоговые преобразователи, ФНЧ - фильтры нижних частот, ИМС - источник модулирующего напряжения, ГВЧ - генератор высокой частоты, ФВ - фазовращатель на п/2, БМ1, БМ2 - балансные модуляторы (перемножители сигналов), С - линейный сумматор
Таблица
№ стр. Идентификаторы и программные коды модели
1 10000 t,:=j -10'6 f:=f 102 Ет:=31,4; 35 F:=Jr000r A: =0,001
2 Tj := Ет cos(2nFtj) ЦК! 1 ]
3 T 3 T 5 T,99 sst, := T, + ^— +... - —— + Usinx(n) j j 3! 5! 99!
4 t,98 cstj := 1 -у\ + jl| ' + 98! + ^sinx(n)
5 Sw:=cfft(sst) qf:= Swf| r:=max(q) SSST,:= (q- r
6 Sw:=cfft(cst) df := |Swf| r:=max(d) ^SCST. := ■ J r
ЦАП
ЦАП
а)
e
С
б)
Рис. 2. Временная форма (а) и спектр (б) сигнала функции ът(х), полученные с помощью таблицы
а)
•Ж*
О 3030 4100 6150 Ш 1Ю10* 123 10* 144 10* 1АІ10* 185 10* 2 05 10* 236 10* 14610* 267 10* 2«? 10* 308 10* 328 10* ЗЛЮ* Ш10* 39 10* 4110*
4] ОМ
б)
Рис. 3. Временная форма (а) и спектр (б) сигнала функции со$,(х), полученные с помощью таблицы
Результаты формирования временных представлений сигналов функций $>т.(х) и со$(х) записываются в выходные файлы МаШСЛЭ 14 для подключения их в ССМ ОгСЛБ 9.1:
- для функции ьіп(х)
1:=0... 1, sigj¡i:=if (і=0, р івір) WRITEPRN («sin1-1.dat»):=sig
(3)
- для функции оо$(х) і:=0...1, sigj¡i:=if (і=0, р евр WRITEPRN («cos1-1.dat»):=sig.
(4)
Для моделирования высокочастотной части структурной схемы КФМ, изображённой на рис. 1, создадим в ССМ ОгСЛБ 9.1 схемотехническую модель КФМ с балансными модуляторами в квадратурных каналах и цифровыми функциональными преобразователями модулирующего напряжения (рис. 4).
£] Р* С<* V** Рік? Мкго Рик* Ас<«жии ОК*»п* \Мп*» НЦ>
ЛсЯиі ДІ | |Р| | ІІУР'Л.пц ^ &|аія.|а.| и |: І' І І І Ч 4.1 ТІ
Рис. 4. Схемотехническая модель КФМ с балансными модуляторами в квадратурных каналах и цифровыми функциональными преобразователями модулирующего напряжения: У10, VII - источники высокочастотного напряжения, МПЬТЗ, МПЬТ4 - перемножители сигналов (балансные модуляторы), БиМ1 - линейный сумматор,
У12, У13 - кусочно-линейные источники напряжений, заданные в файлах
В модели для формирования квадратурных составляющих высокочастотного сигнала используются два источника синусоидального напряжения (¥10, VII) с разностью фаз, равной 900. Балансные модуляторы состоят из перемножителей сигналов (МПЬТЗ, МиЬТ4) с коэффициентами перемножения к=1, модулирующее напряжение подаётся на управляющие входы балансных модуляторов из ис-
точников напряжений, заданных в файлах (¥12, ¥13), в которых прописаны соответственно модели
(3) и (4): Е1ЬЕ=со,51-1Ла(; FILE=sin1-1.dat.
На рис. 5 а - рис. 8 а представлены результаты моделирования КФМ при индексе фазовой модуляции ш<р=31,4 рад, а на рис. 5 б - рис. 8 б - при ш9=35 рад.
а)
б)
Рис. 5. Временные формы сигналов в точках (1) и (3) модели КФМ в режиме гармонического воздействия, при индексах фазовой модуляции: ш9=31,4 рад (а) и ш=35 рад (б)
б )
Рис. 6. Временные формы сигналов в точках (2) и (4) модели КФМ в режиме гармонического воздействия, при индексах фазовой модуляции: ш9=31,4рад (а) и ш=35рад (б)
Мт Ьт Ю1(МАТ1С1-КГМ 2.dat (дс1т)
а)
Мгл Ьт ЮН МАЮ К1М 7.4«1 (лсПте)
б)
Рис. 7. Временные формы выходных сигналов в точке (5) модели КФМ в режиме гармонического воздействия, при индексах фазовой модуляции: ш^,=31,4 рад (а) и шч>=35 рад (б)
а)
№л-ьт $ашшхі-кгм 2.dat (асііи!)
о и(НЗ:2)
Ргециепсу
б) ■
Рис. 8. Спектры выходных сигналов в точке (5) модели КФМ в режиме гармонического воздействия, при индексах фазовой модуляции: ш9=31,4 рад (а) и ш=35 рад (б)
Из рис. 5 а - рис. 8 а следует, что при значении ш<р=31,4 рад в выходном ФМ-сигнале КФМ отсутствуют амплитудные и фазовые искажения. При увеличении индекса фазовой модуляции ш9 от 31,4 рад до 35 рад, как видно из рис. 5 б - рис. 8 б, в выходном ФМ-сигнале наблюдаются искажения, проявляющиеся в виде ПФМ на 39-й - 43-й гармониках модулирующего сигнала, однако, искажения в виде ПАМ не проявляются, что подтверждает ранее сделанные выводы [1] о том, что для амплитудной модуляционной характеристики существует «запас преобразования», равный значению 3,14 рад. Таким образом, структурная схема КФМ с балансными модуляторами в квадратурных каналах и цифровыми синусно-косинусными преобразователями модулирующего сигнала является универсальным устройством, способным формировать неискажённые радиосигналы с угловой модуляцией в широком диапазоне частот как несущего, так и модулирующего колебаний. При этом имеется возможность значительного увеличения значений индексов модуляции за счёт использования более технологичных синусно-косинусных преобразователей, которые могут быть реализованы с помощью быстродействующих цифровых сигнальных процессоров и программируемых логических интегральных
схем. На практике исследуемая структурная схема КФМ может найти применение в передатчиках преднамеренных помех с угловой модуляцией для радиоэлектронного подавления широкополосных систем радиосвязи и высокоскоростных систем передачи данных, а реализуемые шумовые помехи по своим свойствам будут обладать стабильной дисперсией и высокой спектральной плотностью в части подавляемой полосы частот. Одновременно, выходная форма спектра шумовой помехи способна сохраняться неизменной при перестройке передатчика в широком диапазоне частот несущих колебаний.
Литература
1. Шерстюков С.А. Анализ модуляционных характеристик квадратурного формирователя радиопомех с широкополосной угловой модуляцией при использовании цифровой обработки модулирующего сигнала // Вестник ВГТУ: науч. журнал / Воронежский государственный технический университет. - Воронеж, 2009. -Вып. № 6. - т.5. - С. 191 - 196.
2. Шерстюков С.А. Анализ параметрической чувствительности квадратурного формирователя широкополосных фазомодулированных помех при использовании цифровых функциональных преобразователей модулирующего напряжения // Вестник ВГТУ: науч. журнал / Воронежский государственный технический университет. - Воронеж, 2009. - Вып. № 7. - т.5. - С. 191 - 196.
3. Шерстюков С.А., Тихомиров Н.М. Экспериментальное исследование квадратурного фазового модулятора на базе радиочастотной интегральной микросхемы векторного модулятора // Теория и техника радиосвязи: науч.-техн. сб. / ОАО «Концерн «Созвездие». - Воронеж, 2009. - Вып. 1. - С. 67 - 71.
4. Шерстюков С.А. Разработка цифровых функциональных преобразователей модулирующего напряжения на основе интерполяционных методов для использования в квадратурных формирователях радиопомех с угловой модуляцией // Вестник ВГТУ: науч. журнал / Воронежский государственный технический университет. - Воронеж, 2009. - Вып. № 5. - С. 180 - 187.
5. Шерстюков С.А. Техническая реализация и экспериментальное исследование микропроцессорных функциональных преобразователей шумового модулирующего напряжения для квадратурных модуляторов, формирующих широкополосные помеховые радиосигналы с угловой модуляцией // Вестник ВГТУ: науч. журнал / Воронежский государственный технический университет. - Воронеж, 2009. - Вып. № 5. - С. 222 - 227.
6. Richard С. Saffe. Random Signals for Engineers using MATLAB and Mathcad. Springer - Verlag, 2000.
7. Антипенский Р. Разработка моделей первичных сигналов в программной среде MathCAD // Компоненты и технологии, 2007. - № 5. - С. 177 - 182.
Воронежский институт Министерства внутренних дел Российской Федерации
MODELLING OF THE QUADRATURE PHASE MODULATOR ON BASELINE BALANCED
MODULATORS
IN QUADRATURE CHANNELS WITH DIGITAL FUNCTIONAL CONVERTERS IN A REGIME
HARMONIOUS MODULATING AFFECTING
S.A. Sherstukov
The received results of modelling of the block diagram of quadrature phase modulator (KFM) on baseline of balanced modulators in quadrature channels testify to efficiency of a self-compensation of amplitude and phase distortions at use of digital sine-cosine converters in a regime of formation of an index of phase modulation mq><31,4 radian. There is an opportunity of formation on baseline the suggested block diagram KFM of radiosignals with angular modulation with higher values of modulation indexes
Keywords: the quadrature phase modulator, the sine-cosine converter, model, parasitic modulation
