Устройство компенсации интермодуляционных помех

УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ ПОМЕХ, содержащее первый аттенюатор, вход которого является входом устройства, второй аттенюатор, соединенные последовательно первый усилитель, вычитатель, вход вычитаемого которого соединен с выходом второго аттенюатора, второй усилитель и сумматор, выход которого является выходом устройства, и соединенные последовательно третий усилитель, выход которого соединен с входом второго аттенюатора, и элемент задержки, выход которого соединен с другим входом сумматора, при этом коэффициенты передачи аттенюаторов равны, а коэффициент усиления К второго усилителя определяется выражением

где А коэффициент передачи аттенюаторов, отличающееся тем, что, с целью уменьшения остатка нескомпенсированных интермодуляционных помех второго порядка на выходе устройства, в него введены четвертый усилитель, включенный между выходом первого аттенюатора и входом первого усилителя, и пятый усилитель, вход которого соединен с входом устройства, а выход соединен с входом третьего усилителя, при этом четвертый и пятый усилители выполнены идентичными с коэффициентами усиления, определенными выражением

где ₁ интермодуляционный коэффициент второго порядка четвертого и пятого усилителей;
₂ интермодуляционный коэффициент второго порядка первого и третьего усилителя;
M коэффициент усиления первого и третьего усилителей.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоприемных устройствах различного назначения для защиты от интермодуляционных помех (ИП), возникающих во входных каскадах.
Известны устройства ослабления ИП в усилителях (заявка ФРГ N 2718172. кл. Н 03 F 1/32, 1976; авт. св. СССР N 1452436, кл. H 04 B 1/10, 1985), в которых предусмотрен дополнительный канал усиления с отличающейся от основного канала линейностью. Противофазное сложение выходных напряжений каналов позволяет скомпенсировать при определенных условиях, ИП третьего порядка. При этом ИП второго порядка ослабляются лишь частично, что является недостатком этих устройств. Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является устройство по авт. св. N 1567082, содержащее первый аттенюатор, вход которого является входом устройства, второй аттенюатор, соединенные последовательно первый усилитель, вычитатель, вход вычитаемого которого соединен с выходом второго аттенюатора, второй усилитель и сумматор, выход которого является выходом устройства, и соединенные последовательно третий усилитель, вход которого соединен с входом устройства, а выход с входом второго аттенюатора, и элемент задержки, выход которого соединен с другим входом сумматора, при этом коэффициенты передачи аттенюаторов равны, а коэффициент усиления К второго усилителя определяется выражением
K (1) где А коэффициент передачи аттенюаторов.
В сумматоре этого устройства происходит сложение ИП, поступающих с выходов второго усилителя и элемента задержки. Благодаря противофазности этих напряжений и равенству их амплитуд при указанном оптимальном коэффициенте усиления К второго усилителя происходит компенсация ИП третьего порядка. Для ИП второго порядка данный коэффициент усиления не является оптимальным это обусловливает лишь частичную их компенсацию.
Действительно, если U_вх.п амплитуда двух гармонических помех на входе, то ИП второго порядка на выходе третьего усилителя U_7(1,1)= ₂U²_вх.п, где ₂ интермодуляционный коэффициент второго порядка первого и третьего усилителей. На выходе первого аттенюатора амплитуда помех U_1(п)=АU_вх.п. Поэтому на выходе первого усилителя ИП второго порядка U_3(1,1)= ₂U₁²_(п)= ₂(АU_вх.п)². На выходе второго аттенюатора U_2(1,1)=АU_7(1,1)=А ₂U_вх.п². В вычитателе образуется разность U_4(1,1)=U_3(1,1)-U_2(1,1)= ₂А(1-А)U_вх.п². На выходе второго усилителя U_5(1,1)=КU_4(1,1)=-K ₂A(1-A)U_вх.п². На выходе прототипа ИП второго порядка U_вых(1,1)=U_7(1,1)+U_5(1,1)= ₂[1-КА(1-А)]U_вх.п². Для компенсации необходимо, чтобы выражение в квадратных скобках обратилось в нуль. Для этого коэффициент усиления второго усилителя должен был бы определяться выражением
K (2) что не совпадает с оптимальным значением по формуле (1), обеспечивающим подавление ИП третьего порядка. В результате в прототипе осуществляется полное подавление ИП третьего порядка и лишь частичное подавление ИП второго порядка. Наличие остатка нескомпенсированных ИП второго порядка является недостатком прототипа.
Целью изобретения является уменьшение остатка нескомпенсированных ИП второго порядка.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее первый аттенюатор, вход которого является входом устройства, второй аттенюатор, соединенные последовательно первый усилитель, вычитатель, вход вычитаемого которого соединен с выходом второго аттенюатора, второй усилитель и сумматор, выход которого является выходом устройства, и соединенные последовательно третий усилитель, вход которого соединен с входом устройства, а выход с входом второго аттенюатора, и элемент задержки, выход которого соединен с другим входом сумматора, при этом коэффициенты передачи аттенюаторов равны, а коэффициент усиления второго усилителя определяется выражением
K где А коэффициент передачи аттенюаторов, дополнительно введены четвертый и пятый усилители. Вход четвертого усилителя соединен с выходом первого аттенюатора, а выход соединен с входом первого усилителя. Вход пятого усилителя соединен с входом устройства, а выход с входом третьего усилителя. При этом четвертый и пятый усилители выполнены инвертирующими, идентичными с коэффициентами усиления G₁, определяемыми выражением
G₁= - (3) где ₁ интермодуляционный коэффициент второго порядка четвертого и пятого усилителей;
₂ интермодуляционный коэффициент второго порядка первого и третьего усилителей;
G₂ коэффициент усиления первого и третьего усилителей, минус отображает инвертирующие свойства четвертого и пятого усилителей, т.е. поворот фазы на 180^о.
Заявленное устройство существенно отличается от известных решений, поскольку оно характеризуется новой совокупностью признаков, вытекающей из более широкого набора используемых элементов и их связей между собой, а также определенных соотношений между параметрами элементов. Как следствие, возникло новое техническое свойство одновременное эффективное подавление ИП второго и третьего порядка. Это техническое свойство не присуще известным решениям, осуществляющим подавление ИП в усилителях.
На чертеже представлена блок-схема устройства компенсации ИП.
Устройство компенсации ИП содержит первый аттенюатор 1, второй аттенюатор 2, первый усилитель 3, вычитатель 4, второй усилитель 5, сумматор 6, третий усилитель 7, элемент задержки 8, четвертый усилитель 9, пятый усилитель 10. Аттенюаторы 1 и 2 имеют одинаковый коэффициент передачи. Коэффициент усиления усилителя 5 определяется коэффициентом передачи аттенюаторов в соответствии с выражением (1). Верхний по схеме вход вычитателя 4 является входом вычитаемого, т.е. инвертирующим входом. Усилители 3 и 7 выполняются идентичными и имеют одинаковые коэффициенты усиления. Усилители 9 и 10 выполняются инвертирующими и идентичными с коэффициентами усиления, зависящими от коэффициентов усиления усилителей 3 и 7 в соответствии с выражением (3).
Устройство работает следующим образом.
Входные помехи со своими частотами ( ₁, ₂) и начальными фазами ( ₁ и ₂) разветвляются и поступают на вход инвертирующего усилителя 10 и через аттенюатор 1 на вход инвертирующего усилителя 9. В усилителях происходит усиление этих помех, сопровождающееся инвертированием начальных фаз ( ₁+ , ₂+ ). Кроме того, в усилителях происходит образование ИП второго порядка (с частотой ₁+ ₂ и фазой ₁+ ₂+ ) и третьего порядка (с частотой 2 ₁- ₂ и фазой 2 ₁- ₂+ ), также сопровождающееся инвертированием фазы. В усилителях 7 и 3 происходит усиление ИП второго и третьего порядка, образовавшихся в усилителях 10 и 9 без изменения фаз, если эти усилители неинвертирующие ( ₁+ ₂+ , 2 ₁- ₂+ ), или с инвертированием фаз, если усилители 7 и 3 инвертирующие ( ₁+ ₂+2 , 2 ₁- - ₂+2 ). Кроме того, в усилителях 7 и 3 из помех (на частотах ₁ и ₂), усиленных в усилителях 10 и 9, вновь происходит образование ИП второго и третьего порядка без инвертирования фаз, если усилители 7 и 3 неинвертирующие ([( ₁+ )+( ₂+ )] ₁+ ₂+2 , [2( ₁+ )-( ₂+ )] 2 ₁- - ₂+ ), или с инвертированием фаз, если усилители 7 и 3 инвертирующие ([( ₁+ )+ +( ₂+ )+ ] ₁+ ₂+3 , [2( ₁+ )- -( ₂+ )+ ]2 ₁- ₂+2 ).
Легко видеть, что в любом случае при инвертирующих усилителях 9, 10 ИП второго порядка на выходах усилителей 3, 7 образуются из двух противофазных составляющих. При определенном соотношении между коэффициентами усиления (см. выражение (3) усилителей 9, 10 и 3, 7 обеспечивается равенство амплитуд этих составляющих и, как следствие, их взаимная компенсация. Следовательно ИП второго порядка на выходах усилителей 3 и 7 отсутствует. ИП третьего порядка на выходах усилителей 3 и 7 образуются из двух синфазных составляющих. В результате происходит суммирование этих составляющих. При этом уровень ИП третьего порядка на выходе усилителя 3, т.е. на неинвертирующем входе вычитателя 4 меньше, чем на выходе аттенюатора 2, т.е. на инвертирующем входе вычитателя 4. Это объясняется тем, что аттенюатор 1, включенный до усилителей 9 и 3, ослабляет ИП третьего порядка пропорционально третьей степени своего коэффициента передачи, а аттенюатор 2, включенный после усилителей 10 и 7, дает ослабление, пропорциональное первой степени. В отношении полезного сигнала аттенюаторы 1 и 2 абсолютно равнозначны и создают одинаковое затухание, пропорциональное первой степени коэффициента передачи, поэтому уровни полезного сигнала на входах вычитателя 4 одинаковы, выходное напряжение вычитателя 4 не содержит полезного сигнала и равно разности ИП третьего порядка, поступающих с выходов усилителя 3 и аттенюатора 2. Причем фаза этого продукта противоположна фазе ИП третьего порядка на выходе усилителя 7, а амплитуда меньше амплитуды ИП на выходе усилителя 7. Усилитель 5 при определенном соотношении между его коэффициентом усиления и коэффициентом передачи аттенюаторов (см. выражение (1)) поднимает уровень ИП до уровня ИП на выходе элемента задержки 8, который включен для сохранения противофазности ИП третьего порядка на входах сумматора 6. В результате в сумматоре 6 происходит компенсация ИП третьего порядка и выходное напряжение содержит только полезный сигнал, поступающий на вход сумматора с выхода усилителя 7 через элемент задержки 8.
Найдем коэффициент усиления G₁ усилителей 9 и 10, обеспечивающий подавление ИП второго порядка. Если U_вх.п амплитуда двух гармонических помех на входе, то ИП второго порядка на выходе усилителя 10 U_10(1,1)= ₁U_вх.п², а на выходе усилителя 9 U_9(1,1)= ₁(AU_вх.п)². Амплитуды исходных сигналов на выходах усилителей 10 и 9 равны соответственно U_10(п)= G₁U_вх.п и U_9(п)= AG₁U_вх.п. Из этих сигналов в усилителях 7 и 3 вновь образуются ИП второго порядка с уровнями U¹_7(1,1)= ₂U_10(п)²= ₂(G₁U_вх.п)² и U¹_3(1,1)= ₂U_9(п)²= ₂(АG₁U_вх.п)². Кроме того, в усилителях 7 и 3 происходит усиление ИП второго порядка, образовавшихся ранее в усилителях 10 и 9. Эти составляющие имеют уровни U_7(1,1)"=G₂U_10(1,1)=G_{2 1}U_вх.п² и U_3(1,1)"=G₂U_9(1,1)=G_{2 1}(AU_вх.п)². С учетом противофазности U_7(1,1)' и U_7(1,1)" ИП второго порядка на выходе усилителя 7U_7(1,1)= U_7(1,1)"-U_7(1,1)'= ( ₁G₂- ₂G₁²)U_вх.п². Аналогично, с учетом противофазности U_3(1,1)' и U_3(1,1)", ИП второго порядка на выходе усилителя 3U_3(1,1)=U_3(1,1)"-U_3(1,1)'=( ₁G₂- ₂G₁')A'U_вх.п'. Компенсация ИП второго порядка имеет место, когда выражение в скобках обращается в нуль ₁G₂- - ₂G₁²=0, отсюда величина оптимального коэффициента усилителей 9 и 10
G₁= или, с учетом инвертиро-
вания фазы, G₁=
Что касается ИП третьего порядка, то с учетом синфазности составляющих имеем на выходе усилителя 7U_7(2,1)=U_7(2,1)+U_7(2,1)=( ₁G₂+ ₂G₁³)U_вх.п³, а на выходе усилителя 3U_3(2,1)=U_3(2,1)+U_3(2,1)"=( ₁G₂+ ₂G₁³) A³U_вх.п³. На выходе аттенюатора 2U_2(2,1)= АU_7(2,1)=A( ₁G₂+ ₂G₁³)U_вх.п³. В вычитателе 4 образуется разность U_4(2,1)=U_3(2,1)-U_2(2,1)=-A(1-A²)( ₁G₂+ + ₂G₁²)U_вх.п³. На выходе усилителя 5 U_5(2,1)=KU_4(2,1)=-KA(1-A²) ( ₁G₂+ 2G₁³)U_вх.п³. На выходе сумматора U_вых(2,1)= U_в(2,1)+U_5(2,1)= U_7(2,1)+U_5(2,1)= [1-КА(1-А²)]x x( ₁G₂+ ₂G₁³)U_вх.п³. Компенсация ИП третьего порядка наступает, когда выражение в квадратных скобках обращается в нуль. Отсюда оптимальный коэффициент усиления усилителя 5, как и в прототипе.
K (минимальный К=2,6 соответствует А=0,57).
Использование новых элементов: инвертирующих четвертого и пятого усилителей, коэффициент усиления которых определенным образом связан с коэффициентом усиления первого и третьего усилителей, выгодно отличает предлагаемое решение от прототипа, т.к. благодаря этим элементам уменьшается остаток нескомпенсированных ИП второго прядка. В результате устройство одновременно, без перенастройки, эффективно подавляет ИП второго и третьего порядка.
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоприемных устройствах различного назначения для защиты от инертмодуляционных помех, возникающих во входных каскадах. Цель изобретения уменьшение остатка нескомпенсированных интермодуляционных помех второго порядка на выходе устройства. Устройство компенсации интермодуляционных помех содержит первый и второй аттенюаторы 1, 2, первый усилитель 3, восстановитель 4, второй усилитель 5, суммвтор 6, третий усилитель 7, элемент 8 задержки, четвертый усилитель, пятый усилитель 10. Подавление интермодуляционных помех происходит в первом и третьем усилителях 3 и 7 при условии, что четвертый и пятый усилители 9 и 5 выполнены инвертирующими и их коэффициенты усиления выбираются в зависимости от коэффициентов усиления первого и третьего усилителей 3 и 7. Подавление интермодуляционных помех третьего порядка происходит в сумматоре 6 при условии, что коэффициенты усиления четвертого и пятого усилителей 9 и 10 определенным образом зависят от коэффициента усиления первого и третьего усилителей 3 и 7. 1 ил.