CC BY
71
Д. А. Жайворонок,
кандидат технических наук, доцент
ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОМЕХ В ТРАКТАХ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ С УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
THE REASONS OF OCCURRENCE OF HINDRANCES IN PATHS OF FORMATION OF SIGNALS WITH ANGULAR MODULATION
В трактах формирования сигналов с угловой модуляцией используются устройства, в которых по тем или иным причинам возникают помехи в виде паразитной угловой модуляции. Остановимся на двух основных устройствах, применительно к которым в дальнейшем излагаются принципы ее компенсации. К таким устройствам относятся диапазонные усилители, в которых проявляется амплитудно-фазовая конверсия (АФК) и диапазонные возбудители с угловой модуляцией, в качестве которых широко используются частотно-модулированные цифровые синтезаторы частот.
In paths offormation of signals with angular modulation devices in which for whatever reasons there are hindrances in the form of parasitic angular modulation are used. We will stop on two basic devices with reference to which principles of its indemnification further are stated. Band amplifiers in which peak-phase conversion (PPC) and band activators with angular modulation in which quality the frequency-modulated digital synthesizers of frequencies are widely used is shown concern such devices.
Интенсивность эффекта АФК, возникающая в усилителях, зависит как от уровня информационного сигнала, так и от вида модуляции. Рассмотрим проявление АФК при наличии на входе усилителя фазомодулированного (ФМ) или частотно-модулированного (ЧМ) сигнала.
В [1] показано, что при наличии на входе усилителя с АФК ФМ сигнала с постоянной амплитудой
u1(t) = Ui cos[w0t + jM(t)] (1)
на выходе имеется колебание с дополнительной фазовой составляющей, зависящей от уровня входного сигнала
U2(t) = U2 (Ui,t )cos[w0t + jM(t) + jl (U1,t )L (2)
следовательно, в процессе прохождения ФМ сигнала через усилитель, в котором имеет место АФК, любые изменения фазы сигнала, не обусловленные изменением характера передаваемого сообщения, несут в себе ложную информацию, т.е. являются помехой, проявляющейся в виде паразитной фазовой модуляции j1 (t) .
При наличии на входе усилителя с АФК ЧМ колебания с постоянной амплитудой
U1(t) = U1 cos[wo + Wm (t)] t, (3)
где W M(t) — функция времени, отражающая изменение частоты колебания в соответствии с передаваемым сообщением, на его выходе также имеет место ЧМ колебание
u2(t) = U2 (U1,t)cos{[Wot + WM (t)] t + j1 (U1,t)}. (4)
Как видно, (4) отличается от (3) фазовым набегом ф1(И1,1), который определяется уровнем входного сигнала. Таким образом, частота выходного сигнала усилителя соответственно равна
ш2(0 = « + ам(0+фЦ,Й. (5)
Выражения (2), (4), (5) показывают, что в усилителе с АФК имеется помеха, которую можно трактовать либо как паразитную фазовую модуляцию, определяемую функцией ф1(и1,1), либо как паразитную частотную модуляцию, определяемую функцией Эф1(И1,1)/ Э1.
Теперь рассмотрим причины возникновения паразитной угловой модуляции в диапазонных возбудителях с угловой модуляцией передатчиков, при этом анализ этих причин проведем на примере диапазонного возбудителя с угловой модуляцией передатчика системы подвижной УКВ радиосвязи. В настоящее время аппаратура подвижной радиосвязи выпускается с широким применением цифровых синтезаторов частот (ЦСЧ), построенных на основе высокостабильного опорного кварцевого генератора (ОКГ) и системы импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) с делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) в цепи обратной связи, при этом наибольшее распространение получили однокольцевые ЦСЧ [2].
Кроме того, в аппаратуре подвижной радиосвязи частотная модуляция осуществляется непосредственно в ЦСЧ, так как частотно-модулированный цифровой синтезатор частот (ЧМЦСЧ) позволяет значительно упростить аппаратуру, уменьшить ее вес и габариты при высокой стабильности радиоканала и помехоустойчивости системы.
В то же время, как известно, при проектировании ЧМЦСЧ к ним предъявляются противоречивые требования по обеспечению одновременно заданных спектральных, динамических и модуляционных характеристик. Разрешить эти противоречия одновременно в самом однокольцевом ЧМЦСЧ не представляется возможным. Покажем это, сопоставив различные варианты построения ЧМ синтезаторов.
Широкое распространение получили так называемые «одноточечные методы модуляции», характеризуемые тем, что модулирующий сигнал им(1;) подается на какой- либо один из элементов синтезатора: на управляемый генератор (УГ) — метод ЧМ1; в тракт опорного сигнала — метод ЧМ2; в тракт обратной связи — метод ЧМЗ; в тракт цепи управления — метод ЧМ4.
При методе ЧМ1 модулирующее воздействие можно подавать на тот же реактивный
О>2(0 = К М(1)] I + ф1(и1,1) (6)
элемент, который используется в цепи управления УГ, но для получения наиболее качественных модуляционных характеристик используются разные реактивные элементы с частичным включением в основной колебательный контур. Поскольку модуляции подвергается непосредственно УГ, то метод ЧМ1 называют еще и прямым «одноточечным» методом. Другие одноточечные методы осуществления частотной модуляции основаны на косвенном получении эффекта модуляции на выходе синтезатора, при которых непосредственного воздействия им (1) на УГ не происходит.
В общем виде структурная схема синтезатора с частотно-модулированным УГ приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема синтезатора частот с частотно-модулированным
управляемым генератором
На этом рисунке введены следующие обозначения: ОКГ — опорный кварцевый генератор; ДФКД — делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления;
ИФД — импульсно-фазовый делитель нижних частот.
Процесс частотной модуляции УГ представляет собой внутреннее возмущение для контура регулирования, поэтому система ИФАПЧ минимизирует это возмущение в зависимости от диапазона модулирующих частот FM. При низких модулирующих частотах воздействие им (1) почти полностью компенсируется. С ростом частоты модуляции фильтр нижних частот, содержащийся в контуре регулирования, вносит все больший фазовый сдвиг, что приводит к ослаблению эффекта демодуляции. Для достаточно высоких модулирующих частот цепь регулирования можно считать разомкнутой, поэтому высокочастотные составляющие спектра модулирующего сигнала не претерпевают демодуляции, то есть имеет место практически неискаженная частотная модуляция. Таким образом, система ИФАПЧ при методе ЧМ1 является эквивалентным фильтром верхних частот, причем для ослабления искажений низкочастотных составляющих модулирующего сигнала приходится сужать полосу пропускания системы ФАПЧ, т.е. ФНЧ, что ограничивает быстродействие синтезатора.
«Одноточечный» косвенный метод ЧМ2 основан на модуляции по фазе импульсов импульсно-фазовым модулятором (ИФМ) с выхода делителя частоты опорного генератора, используемых как опорные на синхронизирующем входе ИФД. Структурная схема синтезатора с использованием этого метода модуляции приведена на рис. 2.
Возможны и другие способы осуществления модуляции по методу ЧМ2, например в качестве опорного используется управляемый кварцевый генератор, на реактивный элемент которого подается модулирующее воздействие им(1). Однако во всех случаях общим результатом является изменение сигнала ошибки на выходе ИФД, вызывающее отклонение частоты выходного сигнала УГ в соответствии с законом модуляции. При методе ЧМ2 сигнал им(1) является внешним возмущением для системы ИФАПЧ. В ФНЧ происходит сглаживание сигнала ошибки, при этом значительно ослабляются высокочастотные составляющие спектра им(1) .
Рис. 2. Структурная схема синтезатора частот с использованием метода модуляции ЧМ2
Система ИФАПЧ при методе ЧМ2 ведет себя как эквивалентный фильтр нижних частот относительно модулирующего воздействия.
Практически неискаженная ЧМ при методе ЧМ2 имеет место только на низких частотах. Следовательно, для уменьшения искажений необходимо расширять полосу пропускания кольца ИФАПЧ, т. е. ФНЧ в цепи управления, так как при методе ЧМ2 отсутствует противоречие, свойственное методу ЧМ1, между быстродействием синтезатора и уменьшением искажений модулирующего сигнала. С другой стороны, увеличение частоты среза ФНЧ ¥с связано с ухудшением фильтрующей способности кольца ИФАПЧ по отношению к составляющим помех с частотами, кратными частоте сравнения ИФД.
При методе ЧМ3 используется фазовая модуляция импульсов ДПКД импульсно-фазовым модулятором, включенным между ДПКД и ИФД. Схема синтезатора с использованием метода модуляции ЧМ3 приведена на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема синтезатора частот с использованием метода модуляции ЧМ3
Возможно еще получение фазовой модуляции соответствующим изменением коэффициента деления ДПКД по закону модулирующего сигнала. В обоих случаях модулированная последовательность импульсов поступает на синхронизируемый вход ИФД. В первом случае им(1;) подвергается предварительному интегрированию, а во втором — преобразованию из аналоговой формы в цифровую. Методу ЧМ3 свойственны в целом те же качества, что и ЧМ2. Различие этих методов состоит в том, что в данном случае модулирующий сигнал воздействует на цепь обратной связи, и поэтому частотное отклонение отличается от отклонения при методе ЧМ2 только знаком.
При методе ЧМ4 (рис. 4) модулирующий сигнал им (1) подается в точку между выходом ИФД и входом ФНЧ — в сумматор (С). Если не учитывать дискретности работы ИФД, то легко показать, что методы ЧМ1 и ЧМ4 в первом приближении идентичны.
Рис. 4. Структурная схема синтезатора частот с использованием метода модуляции ЧМ4
Структурная схема синтезатора частот с использованием «двухточечной» модуляции по методу ЧМ12 приведена на рис. 5.
Рис.5. Структурная схема синтезатора частот с использованием метода модуляции ЧМ12
Из изложенного следует, что применение любого варианта «одноточечной» частотной модуляции в ЧМ синтезаторе характеризуется неразрешимым противоречием по одновременному достижению хороших спектральных, динамических и модуляционных характеристик.
«Двухточечные» методы ЧМ, представляющие комбинацию прямого и косвенного «одноточечных» методов, позволяют преодолеть некоторые недостатки, прису-
щие «одноточечным» методам. Наиболее распространена схема двухточечной модуляции ЧМ12, основанная на совместном использовании методов ЧМ1 и ЧМ2.
Существуют и другие разновидности методов двухточечной модуляции, при которых появляется возможность реализации достаточно равномерной амплитудночастотной модуляционной характеристики в широком диапазоне модулирующих частот, а также возможность расширения полосы пропускания кольца ИФАПЧ для повышения быстродействия синтезатора без ухудшения качественных характеристик процесса частотной модуляции.
Однако и при одноточечной, и при двухточечной модуляции остается неразрешимым противоречие между чистотой спектра и быстродействием, так как инерцион-
ность ФНЧ в ЧМЦСЧ в основном определяется необходимостью подавления до заданного уровня помех в цепи управления управляемого генератора с частотами, кратными частоте сравнения. При существующей тенденции к уменьшению шага сетки частот и ужесточению норм по подавлению паразитной угловой модуляции (частотной, фазовой) в кольце ИФАПЧ частота среза ФНЧ в цепи ¥с управления должна быть много меньше частоты сравнения, что резко снижает быстродействие ЦСЧ.
Кроме того, ПУМ в ЧМЦСЧ увеличивается тогда, когда модулирующие частоты близки к частоте сравнения. В этом случае на выходе ИФД возникают комбинационные частоты, причем суммарные комбинационные составляющие не проходят через ФНЧ, а разностные могут пройти и промодулировать частоту УГ.
Таким образом, для повышения подавления паразитной угловой модуляции от воздействий помеховых компонент необходимо увеличивать инерционность ФНЧ, что приводит к снижению быстродействия синтезатора, т.е. в самом ЧМЦСЧ разрешить противоречие между уровнем паразитной угловой модуляции и быстродействием синтезатора не представляется возможным.
ЛИТЕРАТУРА
1. Свид. на ПМ №6653 (РФ). Устройство для подавления паразитной фазовой модуляции / П. А Попов, Д. А. Жайворонок, ПП. Усачев. Заявл. 13.05.97. Опубл. 16.05.98. Бюл. №5.
2. Свид. на ПМ №8857 (РФ). Устройство для подавления паразитной фазовой модуляции / Д. А. Жайворонок. Заявл. 05.12.97. Опубл. 16.12.98. Бюл. №12.
