Разработка и исследование автокомпенсаторов фазовых искажений на основе квадратурных преобразователей сигналов

Проблема снижения искажении сигналов, вносимых радиотехническими устройствами, является основной во всех областях радиоэлектроники и связи, автоматики и телемеханики, измерительной и вычислительной техники, так как их уровень определяет достоверность принимаемой информации, качество воспроизведения сообщений, точность измерений.

Наиболее трудноустранимыми являются фазовые искажения, которые проявляются в виде изменений фазы сигнала, не обусловленных характером передаваемого сообщения. В этом случае сигнал оказывается подвержен паразитной фазовой модуляции. Она приводит к искажениям и потере информации при амплитудной и однополосной модуляциях, искажениям телеграфных сигналов, к ухудшению точности измерителей и другим нежелательным последствиям.

Задачу борьбы с фазовыми искажениями в виде паразитной фазовой модуляции можно трактовать как выделение полезных компонент спектра и подавления нежелательных. Различают три метода выделения полезных и подавления нежелательных спектральных составляющих — методы фильтрации, синхронизации и компенсации.

Метод фильтрации основан на использовании фильтров, к которым можно отнести как простые КСи ЬС-фильтры, так и более сложные устройства с нелинейным преобразованием сигнала — система фильтрации с возвратным ге-теродинированием.

При втором методе используется автогенератор с непосредственной или косвенной синхронизацией.

Третий метод — компенсации — можно отнести к одному из возможных путей эффективного ослабления фазовых искажений. Он был предложен Г. В. Щипановым и развит далее В. Н. Петровым, Г. М. Улановым, Б. Уидроу, В. В. Шахгильдяном, М. В. Капрановым, Н. Г. Михеевым и другими. Применительно к компенсации фазовых искажений метод практически сводится к последовательному включению с блоком, в котором возникает паразитная фазовая модуляция, устройства автоматического регулирования фазы. Его функции может выполнять управляемый фазовращатель (фазовый модулятор). Возможно построение устройств автокомпенсации по замкнутому, разомкнутому и комбинированному принципам управления. Устройства автокомпенсации по замкнутому принципу управления широко применяются в радиотехнике, выступая, например, в виде автоподстройки фазового набега в усилителях, устройств фазовой автоматической настройки контуров и т. п.

Однако в устройствах, работающих по замкнутому циклу управления, невозможна полная компенсация фазовых искажений, а повышение их фильтрующих свойств связанно с проблемой обеспечения устойчивости, к тому же в них затруднено получение сложных характеристик избирательности.

Отмеченных выше недостатков лишены разомкнутые системы автоматической компенсации фазовых искажений. В них возможна полная компенсация паразитной фазовой модуляции, реализация различных частотных характеристик, не возникает проблема обеспечения устойчивости. Однако эти автокомпенсаторы весьма критичны к стабильности собственных параметров, требую очень точной настройки, изменение фазы выходного сигнала уменьшается только лишь от действия определенного фактора, действие других факторов на фазу выходного сигнала не учитывается.

Сочетать достоинства устройств с замкнутым и разомкнутым управлением позволяет применение комбинированного управления, общая теория которого была разработана B.C. Кулебакиным, Г. М. Улановым, А. Г. Ивахненко и другими.

Дополнительные преимущества по сравнению с автокомпенсаторами в виде управляемого фазовращателя имеют автокомпенсаторы с векторным сложением сигналов, принцип действия которых основан на сложении двух компенсационных сигналов с изменяющимися определенным образом параметрами. Применение таких автокомпенсаторов дает возможность осуществить одновременную и раздельную компенсацию фазовых и амплитудных искажений.

Отдельным классом автокомпенсаторов с векторным сложением сигналов являются квадратурные автокомпенсаторы, в которых компенсационные сигналы складываются под углом тг/2. Различные варианты схем таких автокомпенсаторов с разомкнутым управлением рассмотрены в работах П. А. Попова, В. В. Ромашова, Д. А. Жайворонка и других. В научных трудах этих авторов изложены вопросы теории и практической реализации квадратурных формирователей сигналов с угловой и амплитудной модуляцией, приведены алгоритмы компенсации искажений в трактах формирования радиосигналов с использованием квадратурных схем и проанализированы их модуляционные и компенсационные характеристики. Однако в известной литературе не рассматриваются вопросы построения, анализа и использования квадратурных автокомпенсаторов фазовых искажений с регулированием по отклонению.

Анализ построения устройств автоматической компенсации, формирования и усиления радиосигналов, в основе которых лежит принцип квадратурного сложения, свидетельствует о том, что они работают по общему алгоритму, который можно определить как квадратурное преобразование сигналов. В этом случае можно выделить и рассматривать соответствующие указанному алгоритму функциональные единицы — квадратурные преобразователи сигналов.

Целыо работы является разработка и исследование автокомпенсаторов фазовых искажений с регулированием по отклонению на основе квадратурных преобразователей сигналов и их применение в устройствах формирования радиосигналов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: — разработаны обобщенные структурные схемы автокомпенсаторов фазовых искажений на основе КПС;

— проведен анализ статических и динамических режимов работы квадратурных автокомпенсаторов фазовых искажений с регулированием по отклонению;

— определены потенциальные возможности указанных автокомпенсаторов;

— получены соотношения для оценки влияния параметров основных структурных звеньев автокомпенсаторов на степень компенсации фазовых искажений;

— экспериментально проверены и подтверждены результаты теоретического исследования автокомпенсаторов фазовых искажений с регулированием по отклонению;

— разработаны и исследованы структурные схемы квадратурного усилителя радиосигналов, фазового модулятора и синтезатора частот на основе квадратурных автокомпенсаторов фазовых искажений.

При выполнении теоретических исследований использовались методы комплексных амплитуд, фазовой плоскости, цифрового моделирования, теории автоматического управления, статистической радиотехники.

Научная новизна работы заключается в том, что.

— впервые предложены обобщенные структурные схемы автокомпенсаторов фазовых искажений с регулированием по отклонению с различными формами управляющих напряжений, построенные на основе квадратурных преобразователей сигналов;

— теоретически исследованы свойства квадратурных автокомпенсаторов фазовых искажений с регулированием по отклонению в различных режимах работы;

— определены условия достижения потенциальных возможностей снижения фазовых искажений в квадратурных автокомпенсаторах и оценено влияние неидеальности входящих в них блоков;

— предложено использовать указанные автокомпенсаторы в квадратурных усилителях радиосигналов, фазовых модуляторах и синтезаторах частот с компенсацией возникающих в них фазовых искажении;

— разработаны математические модели квадратурных автокомпенсаторов фазовых искажений с регулированием по отклонению, на основе которых поведен анализ динамических нелинейных режимов с помощью цифрового моделирования.

На защиту выносятся следующие результаты проведенных исследований:

— принцип построения автокомпенсаторов фазовых искажений на основе квадратурных преобразователей сигналов;

— структурные схемы автокомпенсаторов фазовых искажений с регулированием по отклонению на основе квадратурных преобразователей сигналов;

— исследование и реализация потенциальных возможностей указанных автокомпенсаторов;

— результаты теоретических и экспериментальных исследований квадратурных автокомпенсаторов фазовых искажений с регулированием по отклонению в различных режимах работы;

— применение квадратурных автокомпенсаторов фазовых искажений с регулированием по отклонению в устройствах формирования и усиления радиосигналов.

Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов состоит в следующем:

— получены расчетные соотношения для квадратурных автокомпенсаторов фазовых искажений с регулированием по отклонению, позволяющие исследовать названные автокомпенсаторы в стационарном режиме при различных управляющих напряжениях;

— проанализировано влияние точности реализации блоков квадратурного автокомпенсатора фазовых искажений с регулированием по отклонению на достижение потенциальных возможностей последнего;

— разработана структурная схема квадратурного усилителя мощности радиосигналов с автокомпенсацией отклонений фазы на 32 дБ относительно уровня без компенсации;

— разработан фазовый модулятор на основе квадратурного автокомпенсатора фазовых искажений, снижающий нелинейные искажения модулирующего сигнала более чем в 10 раз;

— разработана структурная схема синтезатора частот с автокомпенсацией фазовых искажений с уменьшенным на 28 дБ уровнем комбинационных колебаний.

Автокомпенсатор фазовых искажений на основе квадратурных преобразователей сигналов использовался в устройствах обработки радиолокационной информации при выполнении хоздоговорной НИР с Муромским заводом РИП для улучшения характеристик РЛС, а также в учебном процессе кафедры радиотехники Муромского института ВлГУ при проведении занятий по курсам ФМ РЭУ и УГиФС.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

— на международной научно-технической конференции «Управление в технических системах» (г. Ковров, 1998 г.);

— на XXVI и XXVII международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (г. Москва, 2000 и 2001 г. г.);

— на 6-ой и 7-ой международных научно-технических конференциях студентов н аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2000 и 2001 г. г.);

— на VI международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации — ПТСПИ'2005» (г. Владимир, 2005 г.);

— на научно-технических конференциях Муромского института Владимирского государственного университета и научных семинарах кафедры радиотехники названного вуза.

По материалам диссертации опубликовано семь статей, тезисы восьми докладов на международных конференциях и две депонированные научные работы. Получен патент на полезную модель № 42 142 «Квадратурный автокомпенсатор фазовых искажений с регулировкой по отклонению» (заявка № 2 004 122 502/22).

Диссертационная работа изложена на 148 страницах, иллюстрируется 93 рисунками и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 102 наименований.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Впервые предложено использовать квадратурные преобразователи сигналов для построения автокомпенсаторов фазовых искажений с регулированием по возмущению и отклонению и проводить анализ последних на основе обобщенных структурных схем.

2. В соответствии с поставленной задачей в диссертационной работе впервые предложены и исследованы квадратурные автокомпенсаторы фазовых искажений с регулированием по отклонению и различными видами управляющих напряжений.

3. Получено общее уравнение указанных автокомпенсаторов, которое полностью описывает процессы, происходящие в них, при произвольных параметрах блоков и управляющих напряжениях и позволяет найти зависимости фазы и амплитуды выходного сигнала как в переходном, так и в стационарном режимах.

4. Определены потенциальные возможности квадратурных автокомпенсаторов с регулированием по отклонению для случаев малых и больших детерминированных и случайных фазовых искажений.

5. Исследованы статические, динамические, частотные и статистические характеристики названных автокомпенсаторов при различных коэффициентах усиления цепи регулирования по отклонению.

6. Произведена оценка влияния параметров основных структурных звеньев квадратурных автокомпенсаторов фазовых искажений с регулированием по отклонению — перемножителей сигналов и фазовращателя по высокой частоте — на их компенсационные свойстваполучены расчетные соотношения для определения допустимых границ изменений этих параметров в стационарном режиме.

7. Предложено использовать автокомпенсаторы для ослабления фазовых искажений в квадратурных усилителях мощности радиосигналов, квадратурных фазовых модуляторах и синтезаторах частот.

8. Схемотехническое моделирование показало, что исследуемые квадратурные автокомпенсаторы фазовых искажений с регулированием по отклонению позволяют снижать уровень спектральных составляющих, вызванных фазовыми искажениями, в полосе пропускания фильтров цепи регулирования по отклонению на 40 дБ относительно исходного уровня. В зависимости от типов таких фильтров возможно получение различных характеристик избирательности.

9. Материалы диссертационной работы и автокомпенсаторы фазовых искажений с регулированием по отклонению, построенные на основе квадратурных преобразователей сигналов, нашли применение в промышленности и учебном процессе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи — разработке и исследованию устройств снижения фазовых искажений в устройствах формирования и усиления радиосигналов.

Проведенный теоретический анализ позволил создать автоматический компенсатор фазовых искажений с регулированием по отклонению, построенный на основе квадратурных преобразователей сигналов. Результаты, полученные в работе, свидетельствуют о том, что данное устройство позволяет эффективно снижать нежелательные отклонения фазы в усилителях, фазовых модуляторах и синтезаторах частот.