Система передачи и приема сигналов с времяимпульсной модуляцией

 

Сущность изобретения: система содержит передатчик, приемник, ключи, компараторы, формирователи пилообразного напряжения, регулируемые линии задержки, фотодиод, амплитудный ограничитель, фильтр нижних частот, формирователь пилообразного напряжения. 3 ил.

Изобретение относится к технике оптической и электрической связи и может использоваться для одно- и двухсторонней передачи аналоговых широкополосных сигналов по волоконно-оптическому и электрическому кабелю.

Цель изобретения - сокращение полосы частот, занимаемой каналом передачи при сохранении его помехоустойчивости.

На фиг.1 и 2 дана структурная электрическая схема предлагаемой системы; на фиг.3 - схемы элементов системы.

Система содержит волоконно-оптический кабель 1, передатчик 2, приемник 3, ключ 4, компаратор 5, формирователь 6 линейного сигнала, лазер 7, опорный генератор 8, формирователь 9 пилообразного напряжения, регулируемую линию 10 задержки, фотодиод 11, усилитель с АРУ 12, амплитудный ограничитель 13, компаратор 14, ключ 15, фильтр 16 нижних частот, блок АРУ 17, формирователь 18 опорных колебаний, формирователь 19 пилообразного напряжения, регулируемую линию 20 задержки, выделитель 21 фронта импульса, выделители 22 и 23, ключи 24 и 25, компараторы 26 и 27, суммирующий усилитель 28, формирователь 29 линейного сигнала, лазер 30, волоконно-оптический кабель 31, фотодиод 32, усилитель 33 с АРУ, блок АРУ 34, амплитудный ограничитель 35, компараторы 36 и 37, суммирующий усилитель 38, аналоговый ключ 39, фильтр 40 нижних частот, диоды 41, суммирующий усилитель 42, полосовой фильтр 43, интеграторы 44, линии 45 задержки, двусторонний ограничитель 46.

Система работает следующим образом.

Входной широкополосный аналоговый сигнал (в частности, он может быть групповым, т. е. результатом суммирования нескольких радиосигналов F₁F₁, F₂F₂..., разделенных по спектрам) поступает на сигнальный вход аналогового ключа 4 передатчика 2, коммутируемого прямоугольными колебаниями тактовой частоты F_m2F_макс. (F_макс. - верхняя граница энергетического спектра частот входного сигнала), которые вырабатываются кварпованным опорным генератором 8. Полученный АИМ-сигнал сравнивается по уровню амплитуды на входах компаратора 5 с импульсами пилообразной формы, вырабатываемыми формирователем и задержанными на время с помощью регулируемой линии 10 задержки. Преобразование амплитудно-импульсно-модулированного АИМ-сигнала во времяимпульсно-модулированный ВИМ-сигнал компаратор выполняет следующим образом. Компаратор реализуется в виде дифференциального усилителя в режиме ограничения, по выходу на "сравнивающие" входы которого подаются АИМ-сигнал U_с и опорные колебания пилообразной формы и той же частоты повторения F_m, сфазированные с импульсами АИМ-сигнала регулировкой величины U_с таким образом, что фронты (или спады), импульсов АИМ-сигнала соответствуют во времени пиковым значениям пилообразных импульсов.

Форма спада пилообразного сигнала должна быть экспоненциальной, чтобы обеспечить выполнение условия 20 lg При выполнении этого условия реализуется логарифмическое сжатие (компрессия) динамического диапазона изменения АИМ-сигнала и тем самым соответствующее реальное увеличение отношения сигнал/шум ВИМ-сигнала. Поэтому формирователь 9 пилообразного напряжения реализуется в виде интегратора (см.фиг.3а), у которого U_макc/U(t)=e^t/RC U_макс/U(t)=1/(1-e^-t/RC), где постоянная RC0,2/F_m; U_макс и (U(t) - соответственно максимальная амплитуда (размах) пилообразного импульса. Поскольку изменяющийся во времени фронт или спад импульса постоянной амплитуды на выходе компаратора соответствует моменту совпадения амплитуд U(t) и U_с на входах компаратора, необходимая величина превышения k размаха пилы опорного колебания над максимальной амплитудой сигнала U_{с макс.} определяется из формулы 20 lg = D - 20 lg k = 20 lg k D - 10 m где D - динамический диапазон входного сигнала.

Величина m= 4_максF_m является индексом ВИМ, определяет расширение энергетического спектра ВИМ-сигнала по сравнению с АИМ-сигналом. Таким образом, сигнал на выходе компаратора имеет энергетическую полосу F=2m F_вх, где F_вх - полоса частот входного сигнала, и представляет собой последовательность импульсов постоянной амплитуды с частотой F_m, фронты (или спады) которых меняют свое положение на величину = 0,43 RC lg где U_с(t) - изменяющаяся амплитуда входного сигнала. Сформированный блоком 6 (который может быть усилителем мощности) ВИМ-сигнал преобразуется лазером 7 в последовательность оптических импульсов для передачи по кабелю 1. Ослабленный в кабеле 1 сигнал поступает в приемник 3, где с помощью фотодиода 11 преобразуется в последовательность электрических импульсов с ВИМ. После усиления (12) с АРУ (17) и амплитудного ограничения в ограничителе 13, срезающего АМ-шумы и помехи, сигнал с ВИМ-поступает одновременно на входы компаратора 14 и формирователя 18 опорного колебания. Формирователь 18 реализуется так, как показано на фиг.3б, т.е. в виде последовательного соединения выделителя спадов (или фронтов ВИМ-сигнала, не подвергшихся девиации (t) (21), узкополосного фильтра 43, настроенного на частоту и формирователя прямоугольных колебаний F_m, т.е. двустороннего амплитудного ограничителя 46. Прямоугольные импульсы с тактовой частотой F_m, сформированные формирователем 18, преобразуются затем в пилообразные с помощью формирователя 19, идентичного формирователю 9 передатчика, фазируются линией 20 задержки с импульсами АИМ-сигнала таким образом, что пик пилообразного импульса совпадает с фронтом ВИМ-сигнала, если девиации подвергается спад импульса ВИМ-сигнала, или со спадом ВИМ сигнала, если девиации подвергается фронт импульса ВИМ-сигнала. Компаратор 14, представляющий собой в отличие от компаратора 5 дифференциальный усилитель без ограничения по выходу для входа, на который подаются колебания пилообразной формы, и аналоговый ключ по второму входу, на который поступает ВИМ-сигнал, "отпирающий" этот компаратор по первому входу соответственно спадом или фронтом ВИМ сигнала, подвергнутом девиации, преобразует ВИМ-синала в АИМ-сигнал (с огибающей зубчатой формы). Экспоненциальный закон изменения пилообразного опорного напряжения с постоянной RС, равной соответствующей постоянной RС интегратора, в передатчике 2 обеспечивает "декомпрессию", т.е. идеальное восстановление динамического диапазона D=U_макс/U_мин сигнала с АИМ на выходе компаратора 14. В результате перемножения этого сигнала в ключе 15 и фильтрации в блоке с частотой среза F_ср F_m/2 восстанавливается исходный аналоговый сигнал. Практически блоки 14-16 можно реализовать с помощью схемы "слежения-хранения", т.е. так, как показано на фиг.3в. Поскольку эти блоки 14-16 переносят спектр радиосигнала из области F_m в видеодиапазон, приемник 2 полностью использует спектр принимаемого сигнала для его восстановления к исходному виду.

Дополнительное двухкратное увеличение широкополосности заявляемой системы достигается преобразованием схем передатчика 2 и приемника 3 к парафазному виду, показанному схематически на фиг. 2а (передатчик) и 2б (приемник). В отличие от передатчика 2 (фиг.1) в "парафазном" передатчике 2 (фиг. 2а) выбирается F_m > F _макс., т.е. при том же значении величина F_макс. может быть увеличена вдвое (по сравнению с передатчиком 2 на 1). Известное условие Котельникова при этом выполняется, поскольку АИМ выборки сигнала берутся дважды за период колебаний 1/F_m с помощью двух параллельно включенных аналоговых ключей 4 и 4 и двух сдвинутых друг относительно друга на 180^о колебаний F_m, получаемых от опорного генератора 8. Эти два АИМ-сигнала преобразуются компараторами 26 и 27 в разнополярные ВИМ-сигналы, объединяемые затем суммирующим усилителем 28. Результирующий ВИМ-сигнал на выходе которого в отличие от сигнала на выходе компаратора 5 передатчика 2 (фиг.1), представляет собой трехуровневый по амплитуде сигнал (+1, 0, -1) со средней тактовой частотой повторения F_m и изменяющими свое положение фронтами (или спадами) как положительных, так и отрицательных импульсов. После формирования ВИМ-сигнала в парафазном виде и усиления его в формирователе 29 сигнал поступает на соответствующие парафазные модулирующие входы лазера 30, смещенные относительно "земли" опорным постоянным напряжением таким образом, что "нуль" сигнала соответствует середине ватамперной характеристике лазера. С помощью лазера трехуровневый ВИМ-сигнал преобразуется в последовательность оптических импульсов ступенчатой формы. На приемнике 3 (фиг.2б) этот сигнал преобразуется фотодиодом 32 к электрическому виду, усиливается парафазным усилителем с АРУ (33 и 34), претерпевает двустороннее ограничение по амплитуде и преобразуется в АИМ-сигналы двумя параллельно включенными компараторами 36 и 37 (идентичными блоку 14 приемника 3 фиг.1), на сигнальные входы которых подаются два сдвинутых друг относительно друга на 180^о пилообразных колебания F_m, вырабатываемых формирователем 18 опорных колебаний, состоящим из выделителей 21 фронтов (или спадов) положительных и отрицательных импульсов, сумматора, узкополосного фильтра (идентичного фильтру приемника 3 фиг.1) и формирователя прямого и инверсного прямоугольного колебания F_m(реализованного по схеме усилителя двустороннего ограничителя. ВИМ-сигнал подается на опорные ("отпирающие") входы компараторов, а выходные АИМ-сигналы суммируются дифференциальным усилителем 38, объединяющим выходы компараторов 36 и 37, и затем после перемножения с колебанием F_m и фильтрации (с частотой среза F_ср < F_m) восстанавливается исходный сигнал.

Формула изобретения

СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА СИГНАЛОВ С ВРЕМЯИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ, содержащая в передающей части последовательно соединенные суммирующий усилитель и формирователь линейного сигнала, выход которого является выходом передающей части, а также первый и второй компараторы, выходы которых соединены с входами суммирующего усилителя, и опорный генератор, а в приемной части - последовательно соединенные усилитель с автоматической регулировкой усиления, амплитудный ограничитель, а также первый и второй компараторы, выходы которых через последовательно соединенные первый суммирующий усилитель и аналоговый ключ соединены с входом фильтра нижних частот, выход которого является выходом приемной части, отличающаяся тем, что, с целью сокращения полосы частот, занимаемой каналом передачи, при сохранении его помехоустойчивости, в передающую часть введены первый и второй ключи, первый и второй интеграторы и полосовой фильтр, первые входы ключей объединены и являются сигнальным входом системы, вторые входы ключей соединены соответственно с прямым и инверсным выходами опорного генератора, а выходы ключей соединены с первыми входами первого и второго компараторов соответственно, выходы первого и второго интеграторов соединены соответственно с прямым и инверсным выходами опорного генератора, выходы первого и второго интеграторов через соответствующую линию задержку соединены с вторыми входами компараторов, а в приемную часть введены выделитель опорного сигнала, состоящий из последовательно соединенных прямовключенного диода и первого выделителя фронта импульса, последовательно соединенные обратно включенный диод и второй выделитель фронта импульса, причем входы диодов соединены с выходом амплитудного ограничителя, выходы первого и второго выделителей фронта импульса через последовательно соединенные второй суммирующий усилитель и полосовой фильтр соединены с входом двустороннего ограничителя, прямой и инверсный выходы которого являются выходами выделителя опорного сигнала и соединены с вторым входом аналогового ключа и входами первого и второго интеграторов, выходы которых через соответствующую линию задержки соединены с вторыми входами соответствующего компаратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3