DE2036475C - Phasenkohärente Empfängerschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer phasenkohärenten Empfängerschaltung, bestehend aus einem parametrischen Vorverstärker und einem nachgeschalteten Phasendetektor, mit dessen Hilfe die Differenz zwischen der Phase des Eingangssignals der Schaltung und der Phase des Referenzsignals eines spannungsgesteuerten Oszillators gebildet und über ein Regelfilter diesem zur Nachregelung zugeführt wird. Von diesem Referenz-Oszillator wird durch Frequenzvervielfachung die Pumpfrequenz für den parametrischen Vorverstärker abgeleitet.

Die Erfindung und die damit erzielten Vorteile sollen an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren im folgenden näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines bekannten phasenkohärenten Empfängers mit parametrischem Vorverstärker;

F i g. 2 zeigt die Schaltung eines quasi-degenerierten bzw. degenerierten nicht reziproken parametrischen Vorverstärkers;

F i g. 3 zeigt die Richtungen der Ströme und Spannungen an den Reaktanzdioden des parametrischen Vorverstärkers;

' F i g. 4 zeigt die Schaltung des Aufwärtsmischers einschließlich der Rauschquellen;

F i g. 5 zeigt die Kettenschaltung von Auf- und Abwärtsmischer;

F i g. 6 zeigt die Neutralisation dieser Mischerkette;

F i g. 7 zeigt den gesamten Verstärkervierpol mit den Rauscheinströmungen am Ein- und Ausgang;

F i g. 8 zeigt den Verstärkervierpol mit der totalen Rauscheinströmung am Eingang.

In der F i g. 1 ist das Blockschaltbild einer phasenkohärenten Empfängerschaltung, wie sie bei·- pielsweise bei Satelliten-Nachrichtensystemen Verwendung findet, dargestellt. Mit Hilfe eines Phasendetektors wird bei dieser Schaltung die Differenz zwischen der Phase des Eingangssignals U_s und der Phase eines spannungsgesteuerten Oszillators U_p0 gebildet, welche über ein Regelfilter an den Oszillator zurückgeführt wird und diesen in seiner Phase bzw. Frequenz nachregelt. Wenn die Phase q_s des Eingangssignals mit der Phase Ψρο des Referenzsignals übereinstimmt, dann verschwindet das Regelsignal U_r am Ausgang des Regelfilters, wodurch der stabile Punkt des Regelsystems gegeben ist. Der spannungsgesteuerte Oszillator dient als Grundoszillator; mit Hilfe eines Frequenzvervielfachers wird von ihm das Pumpfrequenzsignal U_p abgeleitet, welches dem parametrischen Vorverstärker als Pumpspannung zugeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannte phasenkohärente Empfängerschaltung so weiterzubilden, daß sie einen erhöhten Signalrauschabstand aufweist, wodurch die Sicherheit derartiger Schaltungen verbessert wird bzw. die Reichweite für eine gesicherte Nachrichtenübertragung erheblich vergrößert wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der eingangs beschriebenen phasenkohärenten Empfängerschaltung der parametrische Vorverstärker nicht reziprok ausgebildet ist und eine Pumpfrequenz aufweist, die gleich der doppelten Signalfrequenz ist, und daß der Frequenzvervielfacher als Frequenzverdoppler wirkt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dieser nicht reziproke parametrische Vorverstärker aus einer an sich bekannten (deutsche Aus legeschrift 1 120 525) Kettenschaltung eines Aufwärts- und Abwärtsmischers gebildet, deren Dioden von einer Pumpquelle verschiedenphasig durchgesteuert werden; der Rückwirkungsleitwert des Verstärkers, dessen Gesamtschaltung in der F i g. 2 dargestellt ist, ist neutralisiert.

Im folgenden soll versucht werden, den Grad der Verbesserung, welcher sich durch die erfindungsgemä ße Verwendung des beschriebenen nicht reziproken oder degenerierten parametrischen Vorverstärkers ergibt, rechnerisch zu erfassen.

Die Schaltung

des quasi-degenerierten nicht reziproken parametrischen Verstärkers

Zunächst soll die Schaltung des quasi-degenerierteii nicht reziproken parametrischen Verstärkers betrachtet werden, von der man dann auf den degenerierter Fall übergehen kann. In F i g. 2 ist die Schaltung des Verstärkers dargestellt. Sie enthält am Eingang unc Ausgang der Mischerkette je einen Signalkreis, ar welchen der Signalgenerator bzw. die Last angeschlos sen sind. Wenn die Frequenz des unteren Seitenbande: ρ — s in der Nähe der Signalfrequenz s liegt, so könnet die Signalkreise am Ein- und Ausgang gleichzeitij zur Abstimmung auf die Frequenzen des Signals unc des unteren Seitenbandes dienen. Die Verbindunj zwischen dem parametrischen Auf- und Abwärts mischer wird dann nur durch den Parallelkreis bein oberen Seitenband p + s zwischen den Klemmen 1' und dargestellt. Die Spannung der Pumpfrequenz p, welch für den phasenkohärenten Betrieb mit Hilfe eine Frequenzvervielfachers vom Referenzoszillator ab

geleitet werden soll, wird den beiden hier als ideal angenommenen Reaktanzdioden mit verschiedener Phase über einen externen Phasenschieber zugeführt. Für den Fall, daß

^ΔΨ = Ψρ,\ — 9>ρ,2= ±^5-

eingestellt wird, kann die dann phasennichtreziproke Mischerkette durch einen rein imaginären Neutralisationsleitwertj^ zwischen den Ein- und Ausgangsklemmen.in Rückwärtsrichtung vollständig entkoppelt

werden. Die Konversionsmatnx des quasi-degenerierten Auf- bzw.

Abwärtsmischers

Für die in F i g. 3 eingezeichneten Richtungen der Ströme und Spannungen an der idealen Reaktanzdiode gelten die Konversionsgleichungen:

i;

l'p*s

jsO^l) J(p-s)C^ll)* -j(p-s)Ö⁰⁾

C⁽¹> 0 j(p+s)C^l0]

W-*

(2-1)

wobei die Glieder mit C_^a) vernachlässigt wurden. Wenn man entsprechend der F i g. 4 die Signalkreise am Eingang und Ausgang hinzufügt, sowie die durch die Verlustleitwerte hervorgerufenen unkorrelierten Rauscheinströmungen bei den Frequenzen sup ± s, so erhält man mit den Abkürzungen

y; + jsO⁰⁾ = (2-2)

die Konversionsmatrix des quasi-degenerierten Auf- bzw. Abwärtsmischers einschließlich der Rauscheinströmungen zu:

Ip ₊ S

Ys jsC"

-j(p-s)C^l)* y„*__s -j(p+s)e^u ο

Die Kettenschaltung
von Auf- und Abwärtsmischer

Durch die Kettenschaltung von Auf- und Abwärtsmischer entsprechend der F i g. 5 ergeben sich an den 40 wobei Klemmen /' und i die Bedingungen:

-jsÖu*	Us	+	L
0	Up*-s
Yp + S	Up + S_	Jp + S_
	Ip + s.l	+ lp + s.2

(2-3)

(3-2)

X + s = X + sA +

Lp + sA — —lp

s.2

Llp + sA ~ l±p

gesetzt wurde.

(3-1) Für die Spannungen beim unteren Seitenband am

45 Ein- und Ausgang des Verstärkers erhält man aus dei zweiten Zeile für den Auf- bzw. Abwärtsmischer mil Die Ströme, Spannungen und Leitwerte des Auf- der Bedingung:
wärtsmischers sind dabei mit dem Index 1, die des
Abwärtsmischers mit dem Index 2 bezeichnet. Die
Gleichung (2-3) gilt sowohl für den Aufwärts- alj auch 50
Tür den Abwärtsmischer.

Mit den Bedingungen für die Kettenschaltung nach Gleichung (3-1) erhält man aus der dritten Zeile der Gleichung (2-3):

U*-_Si =

Mp-s.2 = J ip-s.l — l*-s.2 —

ψ-s.i

, (3-3) • (3-4)

Vp + s — J

Wenn man die Spannung U_p±s in die erste Zeile (3-2) des Auf- bzw. Abwärtsmischers einsetzt, so erhall

man die Via polgleichungen der nicht neutralisierten Mischerkette. Diese Gleichungen lauten:

+ .s) I C₁'" 1² .s- (p - s)! C₁'"I²

.v) C₁'"* Cj"

y_p+s

^u>-²

(3-5)

. .S-C₁ ¹"* _r. .-.. .S-C,¹" .„

Ln + s Lp-S.

I _ ^^Ti^i ^' J/ , I V + * (P+ S)|C₂"'|² S (p - S) ι W₂; - ι ι

's.2 — y y.s.1 H- is. 2 + y TTi 1 ·Η.ν.2

i-p + s [ ±p + s Lp-s.2

sC^^]* SC₂ ⁾

Η" is. 2 +./ ^ [ip + s. 1 + ip + s, 2] ~./ ^i Ip-s. 2 ·

ip + s Lp-s.2

Die Signaleigenschaften _γ _ s(ρ + s) C₁"'* C₂'"

des neutralisierten quasi-degenerierten Verstärkers ^l0 -12— y^ j ^r,

Die Signaleigenschaften des quasi-degenerierten sic + slC"* C⁽¹⁾

Verstärkers erhält man mit Hilfe der Vierpolkonstan- Y₂₁ = —— '—-1 ! /j£

ten, welche bei Neutralisation entsprechend der >^

^f^ ^F'S-⁶JP! den Gleichungen (3-5) ,5 folgen. Bei Resonanz und mit und (3-6) fur den rauschfreien Fall ι,, i_p±s= 0 zu:

_ Iy-(I)I J'n I /-(1) 1^(1)1 J?'_T I

/^d) _ Iy-(I)I J'n I /-(1) 1^(1)1

₂₀

s(p - s)|C,⁽¹⁾|² sowie den Abkürzungen

J22= X.

%-°·¹ (4-1) _G _ S(P ₊ S)IC'"!²

Gp-.i = G. + C. + C, (4-3) und

5?-s.2 ' _3o ^Gp-s.2 = G_L+G_C,_{2 +} G₀. (4-4)

Ergeben sich aus den Gleichungen (4-1) für den quasi-degenerierten Fall s χ ρ — s die Gleichungen:

L, =[g. + Gc-,, + G_D -

Nach Gleichung (4-5) wird für G₀ = %, in Rück- und mit den Vierpolkonstanten ausgedrückt: wärtsrichtung vollständige Entkopplung erreicht. Für
diesen Fall folgt aus Gleichung (4-5) mit

G, = G_L, Gc₁ = G_c.₂ = G_c ** - IjIJ^P "

und der Abkürzung

j_C(i)i Für den neutralisierten quasi-degenerierten Ver-

ß = _ (4-6) 50 stärker erhält man dann mit den Vierpolkonstanten

G_s + G_c+ G_{D nach} Gleichung (4-7):

die Gleichung:

i,-Bf_{1 +} Oc ₊ GJD-^H. H-T) _j5

L.2 = -J²GdM^ + [G_s + G_c + G_D[[1 - i?²]I/_sJ.

Der Uberfaeuneseewinn ^Der Übertragungsgewinn in Rückwärtsrichtung

des qS^d£^?VMikm _fc ergibt sich in entsprechender Weise wie Gleichung (4-9)

Der Ubertragungsgewinn des Verstärkers in Vorwärtsrichtung ist durch das Verhältnis der Wirkleistung am Lastleitwert und der verfügbaren Wirk- ^ _ ._ß „ U_sl _ 4G_sG_t|^₂|² · leistung des Signalgenerators gegeben. Man erhält ^är *^Ul J^₂ ~ [Y_nJ₂₂ -Y₁₂Y₂J^{2 i4}"³¹^ dafür allgemeb: 65

= 4G_sG_t

(4-8)

Wegen G₀ = %, d. h. Y₁₂ = 0, ist L_ür = 0.

Die Rauscheigenschaften des quasi-degenerierten Verstärkers

Zur Berechnung der Rauscheinströmungen am Eingang und Ausgang des quasi-degenerierten Ver- 5 stärkers setzt man in den Gleichungen (3-5) und (3-6) UsA = -L4.2 =0 und erhält:

Die Mittelwerte der Rauschstromquadrate de Gleichung (5-7) sind durch die Nyquistbeziehunge

[T^]² = AKT(G₅+ G^₁)Af; O² = AK.TG_c.₂Af

Il — IsA + J ~~y""—Lip+j.ι + Jp + ,. 2 J

(5-1)

= L

,2

ίίρ + sA + ip + s.2]

15 bzw.

lip*-, ,I² = A KT[G,+G^₁)Af;

il^² = AKTG^₁Af

Up₊.,., I² = AKTG^₁Af;

\ϊ^\² = 4XTG_p+s,₂/l/

(5-8)

p₊., . + Zp₊₅.21² = 4KTG_p+sAf

4--S.2

J.J-,.2·

Für die Schaltung nach F i g. 7 gelten die Beziehungen

(5-2) gegeben.

Mit den Bedingungen

20

L₁ = III !/..I +1,2 Ü.2+J1

(5-3) ,, ι

aus denen man die totale Rauscheinströmung am _{und den Beziehu en} Eingang des Verstärkers zu ⁶

t^{k (5}"⁴⁾

erhält, Tür die nunmehr nach F i g. 8 die Gleichungen gellen: 35

Vp. 1 ~ <Pp. 2 — — ~2 '

.3-Gp-s. ι = G_p__{s 2}= G_s+ G_c+ G_D

η
Yn Gf"* _ (G₅ + G_c + G_D) (1 - ß²)

γ r<"*

±21 kl

2Gr

(5-9)

IsA = Iu UsA +V,2Ü.2 +Χ« is.2 = YlI UsA + Γ22 Ü.2 ■

(5-5)

Füri„, folgt damit aus den Gleichungen (5-1) und 40

G² _p+S G_p+S p+s

sowie β nach Gleichung(4-6) erhält man:

IU²

AKTAf

-G+C ι (Gs+G_c+G_D)²(1-/?²)²

- «, + «c. 1 H 77^2 G_r. 2

ill. . *»V^J ._Ä

hot — ls.i γ is, 2 Jy⁺ P~

Ä2\ Jp-s. ί

(5-10)

sd"

Lp-s.2

. SC}"*

Die Rauschzahl des quasi-degenerierten Verstärker!

und somit für den Mittelwert des totalen Rauschstrom- ^{wird dann 1}^ ^dem Rauschstromquadrat der Signalquadrates bei Resonanzabstimmung des Verstärkers: quelle

[^|2 ₌

als Bezugsgröße

(DU

_t+G_D+G_c)²{l-4Gl

(5-7)

⁶⁵

{5-11,

Bei Vernachlässigung der Signalkreisverluste Die Kettenschaltung von Auf- und Abwärtsmischer

für den degenerierten Fall
G₁₁ = G_C2 = 0

Für die Kettenschaltung des degenerierten Auf- und

erhält man aus der Gleichung (5-11) die einfache 5 Abwärtsmischers gelten wieder die Bedingungen nach Beziehung: Gleichung (3-1), womit sich dann bei entsprechender

Behandlung wie in Abschnitt 3 die Vierpolgleichungen

(5-12) ^I0 L Yis U_sA J

die für große Verstärkung β -* 1 und G₀ < G₅ den , 3,S²C₁"'* Cj"

Wert Y_{3 s} ^y'·²

Fs2=3db (5-13) (6-3)

annimmt. ι _ ^JS ^i

i.V. 2 — y

Die Konversionsmatrix des degenerierten -^3v

Auf- bzw. Abwärtsmischers Gegenüber dem quasi-degenerierten Fall, wo

L "² >3_S ^{JS 2} U_x.2 J ~⁵·²

s — d % s ergeben.

war und die Signalspannungen U_x, U_p^_s,U_p+s das

nichtlineare Element steuerten, gilt nun im degene- -«·'_ _{= e}^²'._v. 1

rieilen Fall: 25 Li. 1

s = ρ — s bzw. ρ = 2s I₇*

/,_ und l/₊; = U₃ °" '

U₉ = (/,_, und l/_p+;. = U₃₅ ^l°" ' ii.2

Für den rauschfreien Fall mit [_s = ^₊₅ = 0 lauten 30 damit die Konversionsgleichungen (2-3) für den degenerierten Auf- bzw. Abwärtsmischer:

Ic₁ ¹¹¹I = |c«'|

_{35 und Gß nach Gleichung (4}._{2) foljgt aus den Gleichun}.

' ' gen (6-3) bei Resonanzabstimmung von Y₁; Y-

/ j, = - j 3 _SC⁽¹ > U₅ +%_sU_3s. und χ,: '

(6-4)

Ui =

/.,.2= G_De'(VrV2)

Wenn man wieder

II

einstellt und mit einem rein imaginären Leitwert Y_n entsprechend dem Bild 6 die Mischerkette neutralisieri so folgt aus den Gleichungen (6-4) bei Resonanzabstimmung und Neutralisation mit G₀=Y_n:

(6-5)

Den maximalen, negativen Wirkleitwert am Eingang des Verstärkers erhält man mit der Phasenbedingung

— (6-6)

und damit wegen U₂ = ° aus der zweiten Zeile der Gleichung (6-5)

2G_D|t/..,| ;

(G,, + G₁-. ₂ + G₀H U₄,₂1

die Bedingung

-(H

(6-7)

die für

G₄. = G,. und G_r] = G,- ₂ = G₍

mit β nach Gleichung (4-6) den Wert
'/.V.2 - V.V.. = arccotg/i Wert. Mit den Phasenbedingungen nach den Gleichungen (6-6) und (6-8), sowie für

G₄ = G,. und G/,., = G_{( 2} = G₁ folgt aus den Gleichungen (6-5):
LsA = [G,, + Gf + G₀][I -/Z]U₄,,

(6-10)

(6-8) "⁵ /₄,₂ = -/2G_nU,.

_ -y 2 (.rc colg/l-~

annimmt. Für große Verstärkung mit ß-*\ folgt + [G₄. + G,- + G„] [l -ß aus Gleichung (6-8):

üer Übertragungsgewinn _ ₍ _|_ Jj_ (6_9) ²⁰ des degenerierten Verstärkers

Mit Hilfe der Vierpolkonstanten aus der Gleichung

In diesem Fall erreicht auch der negative Wirkleit- (6-10) erhält man für den Ubertragungsgewinn des wert am Ausgang des Verstärkers seinen maximalen degenerierten Verstärkers nach der Gleichung (4-9):

Luv (leg- = —

IG, +G_c +G₀T U-If]² _ -J 2 (.n: c«g/I -Ji

1 -/ie

und mit

(6-11)

arc cotg β % -j-

^;ur fi-Werte in der Nähe von Eins:

wobei

a-.(6-12) Pr.2 _ HÜ2² Luv quasi

' r. 1 UsI

Die Verbesserung, welche man damit durch den thasenkohärenlen Betrieb erhält, ist durch das Verhältnis der übertrasiungsgewinne zwischen dem degenerierten und quasi-degenericrten Fall durch die ikziehung:

40 = Fquasi · Luv quasi (6-15)

das Verhältnis der Leistungen der unkorrelierten Rauschsignale am Ausgang und Eingang darstellt. Die übertragung der Leistungen der korrelierten Nutzsignale ist jedoch durch die Beziehung

45

Lüvdeg. ₌
Luv quasi

(1 —

= (1 + ßf (6-13) Luv dcg.

(6-16)

entsprechend den Gleichungen (4-10) und (6-12) gegeben. Für große Verstärkungen mit ß-*i erhalt man eine Verbesserung V= 16 = 12 db.

Die Rauschzahl

des degenerierten Verstärkers

Bei der Berechnung des Rauschverhaltens des

degenerierten Verstärkers ist darauf zu achten, daß

RauschsignaleunkorreliertNutZsignaleaberkorreiiert

verstärkt werden. Die üblichen Methoden, weiche nur die Rauschbeiträge berücksichtigen, versagen daher Man muß nun von der Definitionsgieichung der Rauschzahl ausgehen, welche von dem Verhältnis der Signalrauschabstände am Eingang und am Ausgang des Verstärkers ausgeht
Es gilt somit:

gegeben. Man erhält dann aus den Gleichungen (6-14), (6-15) und (6-16) für die Rauschzahl des degenerierten Verstärkers den Zusammenhang:

Fdeg. =

Fquasi Luv quasi _ Fquasi Luv deg. V

(6-17)

55 Mit Fquasi nach Gleichung (5-11) und V nach Gleichung (6-13) folgt dann:

60 Fdeg. =

l+ß²

(6-18)

Fdeg. =

PsA P,:

(6-14)

P,2 ' 3 G₁(I+Pf

Nach Gleichung (6-18) ist demnach die Rauschzahl des degenerierten Verstärkers um den Fauqr V = (I + pf kleiner als die Rauschzahl des quasidegenerierten Verstärkers geworden.

Der Signalrauschabstand am Ausgang des Verstärkers ist demnach durch den phasenkohärentec Betrieb wesentlich gegenüber dem Signalrauschabstand am Eingang des Verstärkers verbessert worden. Für große Verstärkung mit ß—*\ und fur G_D < G_s folgt aus Gleichung (6-18) für

Fdeg. as 1/8 === -9 ab. (6-19)

Dies bedeutet, daß eine gemäß der Erfindung ausgeführte phasenkohärenteEmpfängerschaltung besonders geeignet ist für die Nachrichtenübertragung mit Raumfahrzeugen, da hierbei die Empfindlichkeit des Empfängers für die Reichweite und Sicherheit der Nachrichtenübertragung von ausschlaggebender Bedeutung ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Phasenkohärente Empfängerschaltung, bestehend aus einem parametrischen Vorverstärker und einem nachgeschalteten Phasendetektor, mit dessen Hilfe die Differenz zwischen der Phase des Eingangssignals der Schaltung und der Phase des Referenzsignals eines spannungsgesteuerten Oszillators gebildet und über ein Regelfilter diesem zur Nachregelung zugeführt wird und daß von diesem Oszillator durchFrequenzvervielfachung die Pumpfrequenz für den parametrischen Vorverstärker abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der parametrische Vorverstärker nicht reziprok ausgebildet ist und eine Pumpfrequenz aufweist, die gleich der doppelten Signalfrequenz ist und daß der Frequenzvervielfacher als Frequenzverdoppler wirkt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der parametrische Vorverstärker aus der Kettenschaltung eines Aufwärts- und Abwärtsmischers besteht, deren Dioden von einer Pumpquelle verschiedenphasig durchgesteuert werden, und daß der Rückwirkungsleitwert des Verstärkers neutralisiert ist.

3. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Anwendung findet für die Nachrichtenübertragung mit Raumfahrzeugen.