Квадратурний модулятор з однією боковою смугою

Реферат: Винахід належить до вузлів систем передачі даних і може бути використаний як в цифрових, так і в аналогових системах передачі сигналів з метою модуляції вхідного сигналу методом квадратурної модуляції з однією боковою смугою. В основу винаходу поставлена задача: створення пристрою модулятора для модуляції (маніпуляції) синфазного та квадратурного сигналів методом квадратурної модуляції з однією боковою смугою нижньою чи верхньою. Вибір нижньої чи верхньої бокової смуги здійснюється керувальним сигналом, який надходить на блок окремо. Технічним результатом винаходу є відсутність однієї бокової смуги у вихідному сигналі, що забезпечує зменшення смуги спектра вихідного сигналу у два рази у порівнянні з сигналом зі звичайною квадратурною модуляцією. UA 103563 C2 (12) UA 103563 C2 UA 103563 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Квадратурний модулятор з однією боковою смугою належить до радіотехніки і може бути використаний в системах передавання радіосигналів та сигналів електрозв'язку. Відомі модулятор сигналу з квадратурною модуляцією [Девис Дж., Карр Дж. Карманный справочник радиоинженера./ Пер. с англ. - М.: Изательский дом "Додэка-ХХ1", 2002. - 544 с: ил., стр. 133], що мітить фазообертач на 90 градусів (це є перетворювач Гілберта для вузькосмугових сигналів), фазообертач несучої частоти, двох балансних модуляторів та суматора. Найбільш близьким до винаходу по технічній суті і результату, що досягається, є амплітудний модулятор з однією боковою смугою [Бунимович С.Г., Яйленко Л.П. Техника любительской однополосной связи./ М.: Издательство ДОСААФ. - 1970. - 311 с, ил., стр. 120], який містить фазообертач на дев'яносто градусів, фазообертач частоти генератора, два балансних модулятори та суматор. Недоліками зазначених пристроїв є те, що вони формують звичайну амплітудномодульовані сигнали з однією боковою смугою (відомо, що квадратурна модуляція є сумою двох сигналів з амплітудною модуляцією). В основу винаходу поставлена задача: створити такий пристрій квадратурного модулятора з однією боковою смугою, який забезпечує формування сигналу з квадратурною модуляцією тільки з верхньою чи нижньою боковою смугою спектра сигналу. При тому, так як алгоритм квадратурної модуляції (маніпуляції) є незміннім і для цифрових пристроїв у вузлах дискретизації, то функціональна схема такого модулятора може використатися і для задання алгоритму для цифрових модуляторів квадратурної модуляції з однією боковою смугою. Квадратурний модулятор з однією боковою смугою, що містить перший перетворювач Гілберта, вхід якого є синфазним входом пристрою який відрізняється тим, що вхід першого перетворювача Гілберта також з'єднаний з входом першого комутатора знака, вихід якого підключенo до першого входу першого суматора, до другого входу якого підключенo вихід другого комутатора знака, а його вхід, в свою чергу, підключенo до виходу другого перетворювача Гілберта, вхід якого є квадратурним входом пристрою та підключенo також до входу третього комутатора знака, вихід якого підключенo до першого входу другого суматора, а до другого входу якого підключенo вихід першого перетворювача Гілберта, виходи же першого суматора та другого суматора підключені відповідно до перших входів першого перемножувача та другого перемножувача, а другі входи першого перемножувача та другого перемножувача підключені відповідно до першого та другого виходів квадратурного генератора, виходи же першого перемножувача та другого перемножувача підключені відповідно до першого та другого входів третього суматора, вихід якого є виходом пристрою, а керувальні входи першого комутатора знака, другого комутатора знака та третього комутатора знака об'єднані між собою та є керувальним входом пристрою. Введення у квадратурний модулятор з однією боковою смугою двох суматорів, двох комутаторів знака, двох перемножувачів та квадратурного генератора дозволяє отримати квадратурно-модульований сигнал з однією боковою смугою, що значно спрощує вимоги до частотної смуги радіотракту у порівнянні зі звичайним сигналом з квадратурною модуляцією (маніпуляцією). Тобто це забезпечує зменшення смуги спектру вихідного сигналу у два рази у порівнянні з сигналом зі звичайною квадратурною модуляцією Суть винаходу пояснюється кресленням: 1 - перетворювач Гілберта; 2 - перший комутатор знака; 3 - перший суматор; 4 - другий комутатор знака; 5 - другий перетворювач Гілберта; 6 - третій комутатор знака; 7 - другий суматор; 8 - перший перемножувач; 9 - другий перемножувач; 10 - квадратурний генератор; 11 - третій суматор. Квадратурний модулятор з однією боковою смугою, що містить перший перетворювач Гілберта 1, вхід якого є синфазним входом пристрою який відрізняється тим, що вхід першого перетворювача Гілберта також з'єднаний з входом першого комутатора знака 2, вихід якого підключено до входу 1 першого суматора 3, до входу 2 якого підключено вихід другого комутатора знака 4, а його вхід, в свою чергу, підключено до виходу другого перетворювача Гілберта 5, вхід якого є квадратурним входом пристрою та підключено також до входу третього 1 UA 103563 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 комутатора знака 6, вихід якого підключено до входу 1 другого суматора 7, а до входу 2 якого підключено вихід першого перетворювача Гілберта 1, виходи ж першого суматора 3 та другого суматора 7 підключені відповідно до перших входів першого перемножувача 8 та другого перемножувача 9, а другі входи першого перемножувача 8 та другого перемножувача 9 підключені відповідно до виходів 1 та 2 квадратурного генератора 10, виходи же першого перемножувача 8 та другого перемножувача 9 підключені відповідно до входів 1 та третього суматора 11, вихід якого є виходом пристрою, а керувальні входи першого комутатора знака 2, другого комутатора знака 4 та третього комутатора знака 6 об'єднали між собою та є керувальним входом пристрою. Квадратурний модулятор з однією боковою смугою працює наступним чином. На вхід синфазний вхід квадратурного модулятора з однією смугою надходить вхідний сигнал Ss(t)=Ansin(t), (1) де Аn - синфазний сигнал,  - піднесуча частота (частота гармонійного вхідного сигналу), t час. Сигнал (1) надходить на вхід перетворювача Гілберта 1 (ПГ) та на вхід комутатора знака 2. Для аналогових сигналів з гармонічною піднесучою частотою перетворювачем Гілберта може бути фазообертач сигналу на 90° градусів [Поляков В.Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. - М.: "Патриот", 1990. - 264 с, ил., стр. 147]. (Для цифрового модулятора використовується цифровий фільтр Гілберта [Лайонс P. Цифровая обработка сигналов: Второе издание. Пер. с англ. - М.: ООО "Бином-Пресс", 2011. - 625 с: ил., стр. 361].) Після проходження першого перетворювача Гілберта 1 сигнал (1) буде мати вигляд  Ss t   A n cost  , (2) де використана відома тригонометрична тотожність   sin t    cost  . (3) 2  На квадратурний вхід квадратурного модулятора з однією смугою надходить вхідний сигнал Sq(t)=Bnsin(t), (4) де Вn - квадратурний сигнал. Після проходження другого перетворювача Гілберта 5 сигнал (4) буде маги вигляд  S q t   Bn cost  . (5) Сигнал з квадратурною модуляцією (КАМ) для вхідних сигналів (1) та (4) буде мати вид S(t)=[An sin(t)]U0cos(0t)+[Bnsin(t)]U0sin(0t), (6) а спектр сигналу (6) буде мати вигляд [Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: учб. пособие. - 3-е изд. - СПб.: БХВ - Петербург, 2011. - 768 с.: ил., стр. 539] (припуская, що U0=1) 1 1 1 1 S  A n cos0   t  A n cos0   t  j Bn sin0   t  j Bn sin0   t . (7) 2 2 2 2 Так як функції sin та cos є ортогональними та задаються різними ортогональними (квадратурними) сигналами квадратурного генератора 10, то можна не писати j подалі при розгляданні сигналів. КАМ сигнал з однією боковою смугою можна виділити з (7), та він буде мати вигляд для нижньої бокової смуги (за міжнародною ознакою LSB) 1 1 SLSB t   A n cos0   t  Bn sin0   t , (8) 2 2 та верхньої бокової смуги (за міжнародною ознакою USB) 1 1 SUSB t   A n cos0   t  Bn sin0   t , (9) 2 2 де 0 є частота несучої. Формула (8) може бути перетворена до вигляду SLSB t   1 1 A n cos0   t  Bn sin0   t  2 2 1 1  [ A n cost cos0 t   A n sint sin0 t ]  2 2 (10) 1 1  [ Bn sint cos0 t   Bn cost sin0 t ]  2 2 1 1  [ A n cost   Bn sint ] cos0 t   [ A n sint   Bn cost ] sin0 t  2 2 Формула (9) також може бути перетворена до вигляду 2 UA 103563 C2 SUSB t   5 1 1 A n cos0   t  Bn sin0   t  2 2 1 1  [ A n cost cos0 t   A n sint sin0 t ]  2 2 (11) 1 1  [ Bn sint cos0 t   Bn cost sin0 t ]  2 2 1 1  [ A n cost   Bn sint ] cos0 t   [ A n sint   Bn cost ] sin0 t  2 2 З (10) та (11) видно, що вираження для нижньої бокової смуги та вираження для верхньої бокової смуги різняться тільки знаками перед компонентами піднесучої частоти  . На базі рівнянь (10) та (11) можна створити таблицю зміни знака. Співвідношення знака складових для нижньої та верхньої бокових смуг наведені у таблиці 1. Використав комутатори знака для складових КАМ модульованого сигналу з однією несучою, зокрема складової Аncos(t), яка має тільки плюс, можливо побудувати модулятор на базі єдиної функціональної схеми. Функціональна схема пристрою приведена на кресленні. Таблиця 1 Таблиця зміни знака у складових КАМ сигналу Складова сигналу Аncos(t) Аnsin(t) Вncos(t) Bnsin(t) Знак SUSB + + Знак SLSB + + + 10 15 20 Враховуючи Таблицю 1 та рівняння (10) та (11) можна побачити, що сигнал синфазного входу потрапляє на перший перетворювач Гілберта 1, де перетворюється до вигляду (2) і потрапляє на вхід 2 другого суматора 7. На вхід 1 другого суматора 7 через третій комутатор знака 6 подається сигнал квадратурної компоненти (4) з квадратурного входу пристрою. А також, з квадратурного входу пристрою сигнал (4) потрапляє на вхід другого перетворювача Гілберта 5, з виходу якого сигнал (5) через другий комутатор знака 4 потрапляє на вхід 2 першого суматора 3. А на вхід 1 суматора 3 надходить через перший комутатор знака 2 сигнал (1) з синфазного входу пристрою. З виходу першого суматора 3 сигнал суми 1 [ A n sint   B n cost ] потрапляє на вхід 1 першого перемножувача. Тут та далі 2 розглядається знак для нижньої бокової смуги (LSB). З виходу другого суматора 7 сигнал суми 1 [ A n cost   B n sint ] потрапляє на вхід 1 другого перемножувача. На вхід 1 першого 2 перемножувача 8 подається з виходу 1 квадратурного генератора 10 гармонійний сигнал квадратурної несучої частоти - sin0 t  . З виходу 2 цього квадратурного генератора на вхід 2 другого перемножувача 9 подається синфазний гармонійний сигнал несучої частоти - cos0 t  . 25 30 1 [ A n sint   B n cost ] та sin0 t  з виходу другого 2 перемножувача 9 результат множення потрапляє на вхід 2 третього суматора 11. А після перемноження сигналів - 1 [ A n cost   B n sint ] та cos0 t  з виходу першого перемножувача 2 8 результат множення потрапляє на вхід 1 суматора 11. На виході суматора 11 буде сигнал суми, який буде відповідати сигналу (10). Для отримання КАМ сигналу з верхньою боковою смугою треба переключити комутатори знаків відповідно таблиці 1. Керування комутаторами знака 2, 4 та 6 можна робити за допомогою клерувального сигналу, який забезпечує включення знаків відповідно до нижньої бокової смуги за логічною одиницею. У другому випадку (логічний нуль на клерувальному вході) знаки комутаторів знака 2, 4 та 6 будуть відповідати формуванню верхньої бокової смуги (згідно з таблицею 1). Після перемноження сигналів 35 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 3 UA 103563 C2 5 10 15 Квадратурний модулятор з однією боковою смугою, що містить перший перетворювач Гілберта (1), вхід якого є синфазним входом пристрою, який відрізняється тим, що вхід першого перетворювача Гілберта також з'єднаний з входом першого комутатора знака (2), вихід якого підключенo до першого входу першого суматора (3), до другого входу якого підключенo вихід другого комутатора знака (4), а його вхід, в свою чергу, підключенo до виходу другого перетворювача Гілберта (5), вхід якого є квадратурним входом пристрою та підключенo також до входу третього комутатора знака (6), вихід якого підключенo до першого входу другого суматора (7), а до другого входу якого підключенo вихід першого перетворювача Гілберта (1), виходи же першого суматора (3) та другого суматора (7) підключені відповідно до перших входів першого перемножувача (8) та другого перемножувача (9), а другі входи першого перемножувача (8) та другого перемножувача (9) підключені відповідно до першого та другого виходів квадратурного генератора (10), виходи же першого перемножувача (8) та другого перемножувача (9) підключені відповідно до першого та другого входів третього суматора (11), вихід якого є виходом пристрою, а керувальні входи першого комутатора знака (2), другого комутатора знака (4) та третього комутатора знака (6) об'єднанi між собою та є керувальним входом пристрою. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4