RU112555U1 - Модулятор параметров фазового детектора - Google Patents

Abstract

1. Модулятор параметров фазового детектора, содержащий эталонный генератор, высокостабильный по частоте колебания, последовательно соединенные между собой фазовый детектор, усилитель постоянного тока, фильтр нижних частот, который подключен к управляющему входу подстраиваемого генератора, выход которого подключен ко второму входу фазового детектора, отличающийся тем, что дополнительно в устройство введены анализатор спектра, вход которого подключен к выходу эталонного генератора, второй анализатор спектра, вход которого соединен с выходом подстраиваемого генератора, сигналы эталонного и подстраиваемого генераторов поступают на входы фазового детектора, блок определения характеристики фазового детектора с двумя входами, один из которых подключен к выходу анализатора спектра, а второй - к выходу второго анализатора спектра, и регистратор рабочих параметров фазового детектора, вход которого подключен к выходу блока определения характеристики фазового детектора. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок определения характеристики фазового детектора содержит арифметический контроллер с двумя входами, которые условно приняты за первый и второй, выход первого анализатора спектра подключен к первому входу арифметического контроллера, а выход второго анализатора спектра подключен ко второму входу арифметического контроллера. ! 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что арифметический контроллер выполнен с обеспечением точности вычислений не менее чем 5 знаков после запятой. ! 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подстраиваемый и эталонный генераторы формируют сигналы синусоидальной и имп�

Description

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к радиоэлектронике и компьютерным архитектурам, и может быть использована в приемопередающей аппаратуре измерительной техники для аналогового моделирования систем синхронизации генераторов и проектирования различных типов систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), включая нетрадиционные классы сигналов, что позволяет устранять возникающие помехи, в т.ч. и от не типовых классов сигналов, и определять оптимальные рабочие параметры ФАПЧ в широком диапазоне частот, требуемом для успешной работы сложных радиоэлектронных устройств, многопроцессорных и многоядерных компьютерных систем, систем беспроводной связи, мобильной сотовой связи.

Известно, что тестирование реальной модели является чрезвычайно трудоемким процессом и не может гарантировать правильность работы системы при всевозможных входных сигналах и всевозможных внутренних состояний основных блоков генератора, поэтому такой способ достаточно редко применяется на практике.

Известна схема фазовой автоматической подстройки частоты радиоэлектронной аппаратуры [1], работа которой основана на формировании двух высокостабильных колебаний при воздействии на входе устройства ФАПЧ эталонного сигнала, и направлена на повышение чувствительности приема слабого фазового модулированного или частотно модулированного сигнала. Однако известная схема фазовой автоматической подстройки частоты имеет достаточно узкий диапазон рабочих характеристик сигналов.

Известен синтезатор частоты с пониженным уровнем фазовых шумов [2], суть которого в уменьшении фазовых шумов при сохранении диапазона перестройки частоты. Однако известное устройство имеет достаточно узкий диапазон перестройки частот.

Известно устройство фазовой автоподстройки частоты [3], основанное на переключении конденсатора контура генератора для компенсации производственных разбросов компонентов, температурных влияний на них и определенного снижения фазовых шумов. Однако известное устройство имеет высокие фазовые шумы за счет использования для переключения емкостей цифровых блоков и наличия дискретных импульсных помех, в том числе, F_on и F_on /N и их гармоник, где F_on - частота опорного генератора, Т - коэффициент деления делителя частоты опорного генератора, а также за счет отсутствия фильтра низких частот, что также приводит к дополнительным фазовым шумам и, кроме того, существенным недостатком являются помехи, которые возрастают с увеличением диапазона перестройки частот за счет увеличения крутизны перестройки управляемого генератора.

Известно техническое решение - модель для определения рабочих параметров фазовой автоподстройки частоты генератора и способ, реализуемый с помощью этой модели [4], наиболее близкое к заявленной полезной модели, принятое в качестве прототипа. Сущность прототипа состоит в формировании модели с двумя высокостабильными по частоте колебания сигналами, один из которых подстраиваемый, а другой эталонный; а диапазон частот составляет от 20Кгц до 20 ГГц, формы сигналов задают синусоидальными или импульсными, пропуская их через перемножитель, затем получают дополнительный сигнал, после чего проводят низкочастотную фильтрацию и определяют рабочие параметры фазового детектора (ФД).

Недостатками прототипа являются сложность и трудоемкость моделирования параметров и узкий диапазон рабочих характеристик, а также не достаточно высокие информативность, достоверность и стабильность полученных параметров.

Техническим результатом заявленной полезной модели является упрощение и снижение трудоемкости, а также расширение диапазона моделирования параметров ФД, повышение достоверности, устойчивости и стабильности работы устройства.

Указанный технический результат достигается новым устройством (модулятором), предназначенным для моделирования параметров ФД, содержащим эталонный генератор высокостабильный по частоте колебания, последовательно соединенные между собой фазовый детектор, усилитель постоянного тока, фильтр нижних частот, который подключен к управляющему входу подстраиваемого генератора, выход которого подключен ко второму входу фазового детектора в котором, в соответствии с заявленной полезной моделью, дополнительно в устройство введены анализатор спектра, вход которого подключен к выходу эталонного генератора, второй анализатор спектра, вход которого соединен с выходом подстраиваемого генератора, блок определения характеристики фазового детектора с двумя входами, один из которых подключен к выходу анализатора спектра, а второй к выходу второго анализатора спектра, и фиксирующий рабочие параметры исследуемой системы фазовой автоподстройки частоты генератора регистратор, вход которого подключен к выходу блока определения характеристики фазового детектора.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в заявленной полезной модели блок определения характеристики фазового детектора содержит арифметический контроллер с двумя входами, которые условно приняты за первый и второй, выход первого анализатора спектра подключен к первому входу арифметического контроллера, а выход второго анализатора спектра подключен ко второму входу арифметического контроллера.

Помимо того, указанный технический результат достигается тем, что арифметический контроллер выполнен с обеспечением точности вычислений не менее чем 5 (пять) знаков после запятой.

Кроме этого, указанный технический результат достигается тем, что подстраиваемый и эталонный генераторы формируют нетрадиционные классы сигналов, не ограничивающиеся синусоидальным и импульсным сигналами.

Помимо того, указанный технический результат достигается тем, что подстраиваемый и эталонный генераторы выбраны специальной формы с диапазоном 20МГц - 20ГГц, с функцией формирования, помимо синусоидальных и импульсных, также и нетиповых сигналов.

Помимо того, указанный технический результат достигается тем, что арифметический контроллер выполнен с обеспечением точности вычислений не менее чем 5 (пяти) знаков после запятой.

Кроме этого, указанный технический результат достигается тем, что подстраиваемый и эталонный генераторы выбраны специальной формы с диапазоном 20МГц - 20ГГц, с функцией формирования, помимо синусоидальных и импульсных, и нетиповых сигналов. При этом используют генераторы сигналов специальной формы до 20МГц или генератор ВЧ до 20ГГц [5].

Вместе с тем, указанный технический результат достигается тем, что подстраиваемый и эталонный генераторы выбраны с радиочастотным диапазоном 10кГц - 10ГГц.

Помимо этого, фазовый детектор выполнен в виде перемножителя двух сигналов.

При этом, в качестве перемножителя двух сигналов использован, например, On Semiconductor MC 1491.

В основу заявленной полезной модели поставлена техническая задача расширения функциональных возможностей, повышения информативности и достоверности полученных результатов, возможность оптимизации проектирования систем фазовой автоподстройки и обеспечения качества при моделировании ФД.

Сущность заявленной полезной модели поясняется Фиг.1, на которой представлена схема устройства (модулятора) для определения оптимальных рабочих параметров ФД.

Устройство состоит из эталонного генератор высокостабильного по частоте колебания (1), последовательно соединенные между собой ФД (2), усилитель постоянного тока (3), фильтр нижних частот (4), и через управляющий вход, подстраиваемый генератор (5), выход которого подключен ко второму входу фазового детектора. Устройство содержит два анализатора спектра (6) и (7) и блок определения характеристики ФД (8), к входам которого подключены выходы каждого анализатора спектра (6) и (7), к выходу блока определения характеристики ФД (8) подключен регистратор (9).

Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом. Эталонный и подстраиваемый генератор высокостабильных по частоте колебаний (1 и 2) сигналов генерирует в высокочастотный сигнал в диапазоне (10кГц - 10ГГц), который имеет форму, описываемую следующим соотношением:

где a_i и b_j соответствуют амплитудам спектров сигналов и зависят от конкретной реализации генераторов,

θ₁ - фаза эталонного сигнала

θ₂ - фаза подстраиваемого сигнала

Сигналы эталонного и подстраиваемого генераторов поступают на вход ФД (2), который выполнен как перемножитель, например, в виде On Semiconductor MC1491 [5]. Примеры реализации полезной модели. В качестве примеров приведены результаты конкретных исследований заявленной полезной модели, проведенные на лабораторной базе Санкт-Петербургского государственного университета.

Пример 1.

Было проведено моделирование параметров ФД, выбранного типа перемножитель для двух синусоидальных сигналов, которые были взяты в диапазоне частот 20КГц и 20.1КГц со спектрами, которые на Фиг.2 - изображены в виде зависимости амплитуд от частот с конкретными параметрами:

- частота эталонного сигнала равна 20КГц,

- частота подстраиваемого сигнала равна 20.1КГц.

А_1 - амплитуда подстраиваемого сигнала равна 2Дб

А_2 - амплитуда эталонного сигнала равна 1Дб

При моделировании параметров ФД определялся дополнительный сигнал, равный половине разности двух синусоидальных сигналов (Фиг.2) с частотами 40КГц и 0.1КГц., и проводили его низкочастотную фильтрацию, по результатам которой были получены амплитуда и частота сигнала, равные соответственно, 2Дб и 0.1 КГц, которые и являются искомыми параметрами заявленного устройства для моделирования параметров фазового детектора..

Как показывают результаты исследования из примера 1, использование единого моделирования задания параметров и характеристики ФД позволяет исключить его повторное моделирование, что существенно снижает трудоемкость и упрощает устройство.

Пример 2.

Конкретный пример реализации устройства для моделирования параметров ФД состоит в следующем. Сигнал (Фиг.1) с выхода ФД поступает на вход последовательно соединенных усилителя постоянного тока (3), фильтра нижних частот (4), и через управляющий вход, в подстраиваемый генератор (5), выход которого подключен ко второму входу фазового детектора. К входам определения характеристик ФД подключены выходы каждого из анализаторов спектра (6) и (7), которые по входным сигналам f₁(t) и f₂(t) позволяют определить М амплитуд спектров сигналов и их фазы (a_i, b_j, θ₁, θ₂).

Конкретное значение М определяется реализацией анализаторов, увеличение этого числа обеспечивает увеличение точности конечного результата.. Из задаваемых не менее двух высокостабильных по частоте колебания сигналов, выбирают подстраиваемый, с прямоугольной формой со своим собственным периодом, который на Фиг.3 изображен как функция зависимости от времени, где «Т» - период сигнала. Полученные результаты, с выходов анализаторов (6 и 7) поступают на вход арифметического контроллера или ПЭВМ, где производится обработка поступающей информации в соответствии со следующим соотношением:

где:

a₁, b₁ - амплитуды спектров сигнала

θ₁, θ₂ - фазы сигналов

Как показывают результаты исследования из примера 2, использование нового моделирования характеристики фазового детектора позволяет опустить его повторное вычисление, что снижает трудоемкость, а кроме того, за счет учета амплитуд a₁, b₁ спектров сигналов подстраиваемого и эталонного генератора достигается повышение достоверности.

Результаты проведенных исследований, изложенных в примерах 1 и 2, подтверждают конкретные параметры моделирования параметров ФД и работоспособность, достоверность и универсальность заявленной полезной модели. Достижение технического результата стало возможным также за счет учета обнаруженной авторами закономерности универсальной зависимости характеристики фазового детектора от амплитуд спектров эталонного и подстраиваемого сигналов (импульсного и синусоидального), что на апробировании многих моделей показал универсальность заявленной полезной модели для всех типов сложных и нетрадиционных форм высокочастотных сигналов полигармонической структуры, по сравнению с известным прототипом.

Технико-экономическая эффективность заявленной полезной модели состоит, в целом, в расширении диапазона рабочих характеристик сигналов подстраиваемого и эталонного генераторов; повышении устойчивости и стабильности работы устройства, расширении функциональных возможностей и связанной с этим новой появившейся возможности применять заявленное устройство для моделирования параметров ФД и для решения более широкого круга сложных проблем, связанных с модуляцией нетиповых классов сигналов, учет которых необходим при определении параметров ФД при использовании сложных радиоэлектронных устройств, многоядерных компьютерных и многопроцессорных систем, а также систем беспроводной связи и мобильной сотовой связи

Используемые источники информации

1. Патент РФ №2280321 С2; МПК H03L 7/00

2. Патент РФ №2370885 С1; МПК H03L 7/087

3. USA Patent No. 6,549,765, Int.Kl.H04B 1/26

4. Фазовая синхронизация. Теория и приложения. Автоматика и телемеханика, 2006, No 10, pp.47-85 (прототип)

5. http://www.pribor-service.ru/sb.php.zapb=Generatori_spf

Используемые термины

Перемножитель двух сигналов: электронное устройство с двумя входами и одним выходом, генерирующий на выходе сигнал (напряжение) равный произведению сигналов (напряжений), поступающих на два входа.

Фазовый детектор (ФД): в электронике, устройство, сравнивающее фазы двух входных сигналов. Обычно, один из них генерируется генератором сигнала, управляемым напряжением, а второй берется из внешнего источника. ФД обычно имеет один выходной сигнал, управляющий стоящей за ним схемой фазовой автоподстройки (задача схемы фазовой автоподстройки сделать фазы входных сигналов одинаковыми), другими словами фазовым детектором называют устройство, предназначенное для создания сигнала, пропорционального разности фаз между генерируемым сигналом и эталонным сигналом. (Существуют различные электронные реализации ФД: например, перемножитель двух сигналов, XOR и др.)

Характеристика фазового детектора: работа фазового детектора характеризуется графиком зависимости фазы выходного сигнала от разности фаз входных сигналов, которая называется характеристикой фазового детектора. Характеристикой фазового детектора вычисляется в зависимости от типа входных сигналов (для наиболее употребительных реализаций фазовых детекторов, например, перемножитель двух сигналов, XOR и др., и типовых сигналов, например, два синусоидальных сигнала, два импульсных сигнала, характеристики фазовых детекторов вычислены и хорошо известны).

Claims (6)

1. Модулятор параметров фазового детектора, содержащий эталонный генератор, высокостабильный по частоте колебания, последовательно соединенные между собой фазовый детектор, усилитель постоянного тока, фильтр нижних частот, который подключен к управляющему входу подстраиваемого генератора, выход которого подключен ко второму входу фазового детектора, отличающийся тем, что дополнительно в устройство введены анализатор спектра, вход которого подключен к выходу эталонного генератора, второй анализатор спектра, вход которого соединен с выходом подстраиваемого генератора, сигналы эталонного и подстраиваемого генераторов поступают на входы фазового детектора, блок определения характеристики фазового детектора с двумя входами, один из которых подключен к выходу анализатора спектра, а второй - к выходу второго анализатора спектра, и регистратор рабочих параметров фазового детектора, вход которого подключен к выходу блока определения характеристики фазового детектора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок определения характеристики фазового детектора содержит арифметический контроллер с двумя входами, которые условно приняты за первый и второй, выход первого анализатора спектра подключен к первому входу арифметического контроллера, а выход второго анализатора спектра подключен ко второму входу арифметического контроллера.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что арифметический контроллер выполнен с обеспечением точности вычислений не менее чем 5 знаков после запятой.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подстраиваемый и эталонный генераторы формируют сигналы синусоидальной и импульсной формы в диапазоне частот 20 МГц - 20 ГГц.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подстраиваемый и эталонный генераторы формируют сигналы в радиочастотном диапазоне 10кГц - 10ГГц.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фазовый детектор выполнен в виде перемножителя двух сигналов.