Спосіб частотної демодуляції

Изобретение относится к радиотехнике и связи, в частности - к демодуляции сигналов с частотной модуляцией. Известны способы частотной демодуляции сигналов, заключающиеся в том, что частотномодулированный (4M) сигнал или только его изменение частоты, обусловленное модуляцией (модулирующее изменение частоты), задерживают, а затем оба сигнала, с задержкой и без задержки, фазово детектируют относительно друг друга. При задержке осуществляется преобразование 4M в ФЧМ (фазовая модуляция ФЧМ сигнала относительно 4M сигнала), и в результате фазового детектирования ФЧМ сигнала получают частотно-демодулированный сигнал. Каждый из способов, с задержкой модулирующего изменения частоты (первый способ) и с задержкой сигнала в целом, (второй способ), имеет свои недостатки, ограничивающие их применение. Фаза 4M сигнала характеризуется выражением где w o - несущая частота; - модулирующее изменение частоты; w Д - девиация частоты; kЧМ(t) - модулирующая функция; - глубина модуляции. Первый способ характеризуется тем, что для преобразования 4M в ФЧМ задерживают модулирующее изменение частоты сигнала (без задержки несущего колебания) и получают где, в отличие от (1) и (2): - задержанное модулирующее изменение частоты; kЧМ(t-Tзад) - задержанная модулирующая функция; Тзад - временная задержка. Разность двух фаз (1) и (4), которую измеряют при фазовом детектировании, - коэффициент преобразования, определяемый задержкой; - индекс фазовой модуляции (индекс ФЧМ); - модулирующая функция ФЧМ, задержанная по сравнению с kЧМ(t) на Тзад/2. В результате преобразования 4M в ФЧМ получают модулирующее изменение фазы BkФЧМ(t), соответствующее модулирующему изменению частоты w ДkЧМ(t). Для фазового смещения и, соответственно, выбора рабочей точки на характеристике фазового детектирования сигнала с задержкой модулирующего изменения частоты дополнительно сдвигают на постоянный угол Фо , который для синусоидальной и треугольной характеристик фазового детектирования берут равным Возможности способа ограничены его реализацией. Для задержки модулирующего изменения частоты используют LC контур (или его эквивалент). Характеристикой преобразования 4M в ФЧМ является фазовочастотная характеристика (ФЧХ) контура - временная задержка на частоте w о; Q - добротность контура; w о - резонансная частота контура, равная несущей частоте сигнала; w п - полоса пропускания контура; d w - изменение частоты (относительно w о), являющееся аргументом функции Ф (d w ). Рабочий участок ФЧХ (11) в полосе пропускания контура - в пределах от p/4 до -p/4, что определяет диапазон фазового детектирования и соответствует возможным значениям индекса ФЧМ, с учетом (8), (10) и (13), при коэффициенте преобразования, согласно (7) и (14), КФЧМ=Тзад< p4m w о, (15) Согласно (14), индекс ФЧМ пропорционален mТзад, т.е. при малых m(m«1) значение В, близкое к p/А, может быть получено при выборе соответствующего значения Т зад (15). Это - преимущество первого способа по сравнению с вторым рассмотренным ниже. Недостатками первого способа являются: - возможные значения В ограничены, согласно(14), величиной p/4 (вместо значений p/2 и p, допустимых при фазовом детектировании); - выбор величины Тзад и, соответственно, В ограничен, согласно (12), полосой пропускания w п, - ФЧХ (11) нелинейна, что является причиной нелинейных искажений ФЧМ сигнала (его модулирующего изменения частоты) и, в результате, демодулированного сигнала (уменьшение нелинейных искажений возможно при уменьшении В, однако это приведет к увеличению относительного уровня помех и искажений, вносимых устройствами преобразования и детектирования). Второй способ характеризуется тем, что для преобразования 4M в ФЧМ задерживают сигнал в целом (модулирующее изменение частоты и несущее колебание). ФЧХ преобразования в отличие от (11), линейна, но аргументом ее функции является не d w , а (w = w о + w ). В результате, в отличие от (4) и (6), - постоянный фазовый сдвиг, получаемый, в отличие от (10), в результате задержки несущего колебания; Согласно (8) и (19), В и w о, обусловленные Тзад, взаимосвязаны: Фазовый сдвиг Фо (19) используют, подобно (10), для фазового смещения. Обычно для диапазона фазового детектирования соответствующего первым полуциклам треугольной и пилообразной характеристик детектирования. При этом величина В ограничена диапазоном детектирования (22): Значение (23) являются предельно возможным (для первого способа, согласно (14), В£ p/4), а реально, согласно (20) и (21), для указанных выше характеристик и не могут быть увеличены путем увеличения Т зад. При этом, согласно (19), (21)и в отличие от (15), (Возможнонесущественное увеличение В при соответствующем, обусловленном Тзад, увеличении Фо в пределах D Ф) В результате, значения В и КФЧМ, обусловленные (24) и (25), в отличие от (14) и (1.5) для первого способа не могут быть увеличены при m«1. Так, например, при m=0,01, согласно (24). В=0,005 p и 0,01p, что в 1/m=100 раз меньше допустимых значений (23) и меньше, согласно (14). В ® p/А для первого способа. В результате, при m«1 не используются возможности фазового детектирования, а при воздействии помех и искажений, вносимых устройствами преобразования и детектирования, демодуляция может быть вообще нарушена. Сказанное является существенным недостатком второго способа, ограничивающим его применение. Способ применяют при больших значениях m (например, при m=0,3 и 0,4) в аппаратуре магнитной записи. Итак, рассмотренные способы обладают недостатками, ограничивающими их применение. В соответствии с изложенным автором поставлена задача предложить такой способ демодуляции, который был бы лишен указанных недостатков, обладал бы положительными свойствами обоих способов (отсутствием ограничения значений КФЧМ, в том числе при m«1,и линейностью характеристики преобразования без ограничения полосы пропускания) и отличался бы, в конечном счете, низким уровнем вносимых искажений. В качестве прототипа выбран второй способ как наиболее близкий к заявляемому способу. Для осуществления поставленной задачи автором предлагается способ частотной демодуляции, заключающийся в том, что демодулируемый сигнал задерживают, а затем незадержанный и задержанный сигналы фазово детектируют относительно друг друга, отличающийся тем, что задержку осуществляют на время, равное n - действительное число (n=0, 1, 2,...), кроме n=0 для первого полуциклa характеристики фазового детектирования; - относительная координата рабочей точки в пределах цикла характеристики фазового детектирования; - индекс фазовой модуляции (согласно (23)); Ф - диапазон фазового детектирования; m - глубина частотной модуляции; f o - несущая (средняя) частота (f o= w о/2). Согласно предлагаемому способу, коэффициент преобразования КФЧМ можно изменить только в дробное число раз (26) Для переключения его в целое число раз дополнительно вводят между незадержанным и задержанным сигналами фазовый сдвиг DФо, при котором относительная координата рабочей точки равна Выше используются термины "цикл" и "полуцикл" характеристики фазового детектирования. Цикл повторяющаяся часть характеристики, а полуциклы - восходящая и нисходящая части цикла. Для треугольной характеристики нечетные (например, восходящие) полуциклы - от 0 до p, от 2 p до 3 p и т.д., в четные (нисходящие)- от p до 2 p, от 3 p до 4 p и т.д. Для пилообразной характеристики нечетные (восходящие) полуциклы - от 0 до 2 p, от 2 p до 4 p и т.д., а четные (нисходящие) - в точках 2 p, 4p и т.д. При инвертировании характеристик нечетные полуциклы становятся нисходящими, а четные - восходящими. Рабочими (используемыми для детектирования) являются нечетные и четные полуциклы треугольной характеристики и нечетные полуциклы пилообразной характеристики. Диапазон фазового детектирования Ф соответствует, согласно (22), полным рабочим полуциклам треугольной и пилообразной характеристик, являющихся кусочно-линейными характеристиками, и части полуцикла, если характеристика (например, синусоидальная) нелинейна. Согласно предлагаемому способу, фаза задерживаемого сигнала выражается уравнениями (17) и (18) (задержка сигнала в целом), но благодаря задержке, определяемой (26), индекс модуляции, с учетом (8), где k1£kТ - для первого полуцикла характеристики фазового детектирования (выражение (33) соответствует (32) при замене n+kT на к1 и (24) при к1=1/4 и 1 /2). Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что он обеспечивает, согласно (32) и по сравнению с (33), "усиление" фазовой модуляции в (n+kT)/k1 раз, где, в большинстве случаев, n»кT (при k1£kT), устраняя тем самым недостаток прототипа. При m=0,01 и, например, n=24, kT= 1/4 (для треугольной характеристики) индекс модуляции, согласно (32), В=0,485®p/2, а при n=48, kT=1/2 (для пилообразной характеристики) В=0,97®p, что соответствует предельным возможным значениям (23). Для прототипа, как указывалось выше и согласно (33) при к1=1/4 и 1/2, индекс модуляции В=0,005 p и 0,01 p. Таким образом, при использовании предлагаемого способа достигается "усиление" в 1/m « 100 раз. Соответственно, при m=0.001 в 1000 раз. Постоянный фазовый сдвиг, согласно (19), обеспечивающий необходимое фазовое смещение Фаза задержанного сигнала и постоянный фазовый сдвиг для частного случая осуществления способа, с учетом Фо, согласно (31), и в отличие от (17) и (19), равны где Тзад определяют согласно (26), а d Ф(t) - согласно (18). При кT=0 и согласно (26) и (36), Для предлагаемого способа при кT=0, согласно (28), Тзад - также определяют согласно (37) - случай характеристики фазового детектирования с "собственным" смещением. Предлагаемый способ в частном случае осуществления обладает теми же преимуществами: при n=24 и 48, кT=0 и кФ =1/4 и 1/2 индекс модуляции В=0,48 p/2 и В=0,96 p®p (при n=25 и 50 В=0,5 p и, кроме того, как указывалось выше дает дополнительный эффект, если требуется, например, переключение коэффициента преобразования в целое число раз. При демодуляции сигналов с m=0,01, 0,001 и 0,0001 коэффициент преобразования КФЧМ, равный Тзад и определяемый (37), изменяют в 10 и 100 раз соответствующим изменением n в 10 и 100 раз (по сравнению с КФЧМ при m=0,01). Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена ФЧХ преобразования Ф(w ) (16) c D Фо=-p/2 и треугольная характеристика детектирования u[Ф(w )] с данными: n=0 и 1, кT=1/2, кФ=1/4 (второй и четвертый полуциклы); на фиг. 2 - ФЧХ преобразования Ф(w ) (16) с DФо= -p и пилообразная характеристика детектирования u[Ф(w )] с данными: n=1 и 3, к T=0, кФ =1 /2 (второй и четвертый циклы); на фиг. 3 - структурная схема для осуществления предлагаемого способа (где 1 - вход демодулируемого сигнала; 2 - фазовращатель (для предлагаемого способа в частном случае осуществления); 3 - фазовый детектор; 4 - устройство задержки); 5 - вход последовательности тактовых импульсов; 6 - выход демодулятора); на фиг. 4 - таблица с результатами демодуляции по предлагаемому способу и, для сравнения, по первому способу. На фиг 1 и 2 для сравнения показаны по две характеристики соответствующие разным задержкам: Тзад2=3Тзад1. Значения D Фо, Фo1 и Фо2 на фиг. 1 и 2 показаны со знаком "-", что обусловлено их отсчетом (не фиг. 1 и 2) относительно незадержанного сигнала (в приведенных выше выражениях - относительно задержанного сигнала). На характеристиках по казано, как увеличение задержки, с переходом на другие полуциклы или циклы характеристик фазового детектирования, приводит к увеличению индексов модуляции и, соответственно, значений U2 и -U2 характеристики u[Ф(w )]. Выше, в тексте, приведены примеры использования более "дальних" циклов: n=24 и 48 при m=0,01. При m=0,001, соответственно, n=240 и 480 (в пределе, n=250 и 500). На фиг. 3 фазовращатель 2 включен перед устройством задержки 4, но может быть включен после него, перед входом фазового детектора 3. Фазовращатель может быть включен в цепи незадержанного сигнала, перед другим входом фазового детектора. Устройство выполнено на известных элементах. Демодулятор, реализующий предлагаемый способ, обеспечивает демодуляцию многопозиционных сигналов с частотной манипуляцией и значениями частот в пределах от f o-f Дмакс до f o+fДмакс, где f о-=25 кГц, а переключаемые f Дмакс= w Дмакс/2p=50, 100, 200, 400, 800 и 1600 Гц (m=0,002,...0,064). Устройство задержки 4 (фиг. 3) собрано на статических ОЗУ типа 132РУ5, обычно используемых для подобных целей и управляемых, в данном случае, тактовой последовательностью импульсов с "кварцованной" частотой f T=3,2 МГц. В приведенной на фиг. 4 таблице показаны результаты сравнительной проверки демодуляции по предлагаемому способу и по первому способу. Из таблицы видно, что демодуляция по предлагаемому способу обладает линейной характеристикой и "нулем" на выходе при f Д=0. Демодуляция по первому способу обладает нелинейной характеристикой и, кроме того, смещение "нуля", обусловленным неточной настройкой контура на среднюю частоту 4M колебания. Демодуляция по второму способу (прототипу) невозможна при m=0,002,... из-за низкого коэффициента преобразования КФЧМ (25), при котором, согласно (24), В=m p/2=0,001p..... при DФ=p, тогда как для предлагаемого способа В ®p/2.