Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Кафедра телекоммуникации

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Устройства приема и передачи сигналов»

на тему «Частотно-фазовая автоматическая подстройка частоты в тракте формирования и генерации радиопередающего устройства и способы ее реализации»

Специальность (направление подготовки) 210406.65

Сети связи и системы коммутации

Курск 2013



ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ (ПРОЕКТ)

1. Тема: «Частотно-фазовая автоматическая подстройка частоты в тракте формирования и генерации радиопередающего устройства и способы ее реализации»

2. Срок представления работы (проекта) к защите «__» __ 2013 г.

3. Исходные данные (для проектирования, для научного исследования):

4. Содержание пояснительной записки курсовой работы (проекта):

4.1способы формирования несущей частоты излучения РПдУ, их достоинства и недостатки;

4.2 структурные элементы РПдУ, формирующие несущую частоту излучения и их место в общей структурной схеме РПдУ;

4.3точность формирования несущей частоты излучения РПдУ и способы ее повышения;

4.4 способы автоматической подстройкой несущей частоты радиоизлучения в РПдУ, их достоинства и недостатки;

4.5частотно-фазовая автоматическая подстройка частоты в тракте фор-мирования и генерации радиопередающего устройства, ее преимущества перед отдельной частотной и отдельной фазовой автоматической подстройкой частоты и способы реализации.



Введение

При передаче цифровой информации особое внимание уделяется вопросам синхронизации. В частности при использовании PSK сигналов требуется производить различение передаваемых символов по фазе. Но опорные генераторы на передающей и приемной стороне не могут быть когерентны, поэтому прибегают с следящим контурам (петлям), позволяющим производить подстройку генераторов опорных сигналов для когерентной демодуляции.

Такие следящие системы называют контурами фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) -- система автоматического регулирования, подстраивающая частоту управляемого генератора так, чтобы она была равна частоте опорного сигнала. Регулировка осуществляется благодаря наличию отрицательной обратной связи. Выходной сигнал управляемого генератора сравнивается на фазовом детекторе с опорным сигналом, результат сравнения используется для подстройки управляемого генератора. Система ФАПЧ используется для частотной модуляции и демодуляции, умножения и преобразования частоты, частотной фильтрации, выделения опорного колебания для когерентного детектирования и в других целях.



1. Структурная схема радиопередатчика

Радиопередатчиком называется радиотехническое устройство, преобразующее первичные электрические сигналы в радиосигналы определённой мощности, необходимой для обеспечения радиосвязи на заданном расстоянии с требуемой надёжностью.

В радиопередающее устройство, кроме радиопередатчика, входит и антенно-фидерное устройство.

Структурная схема радиопередатчика представлена на рис. 1

Рисунок 1 - Структурная схема радиопередатчика

Радиопередатчик включает следующие узлы: Возбудитель, предназначенный для преобразования первичных электрических сигналов в радиосигналы, формирование сетки высокостабильных частот с заданным интервалом между соседними частотами, с помощью которых осуществляется перенос сформированных радиосигналов непосредственно на рабочую частоту в заданном диапазоне.

Генерирование высокостабильных первичных колебаний осуществляется в спец. устройствах - возбудителях Р. у. Иногда (напр., при ЧМ) формирование радиосигналов производится сразу путём модуляции первичных колебаний. В качестве простых возбудителей используются автогенераторы натранзисторах, лавинно-пролётных диодах и т. д. Поскольку частота автоколебаний, близкая к собств. частоте колебательной системы, зависит от режима работы активного элемента, принимаются жёсткие меры по защите всех элементов автогенератора от влияния дестабилизирующих факторов. Мин. достижимый уровень нестабильности частоты автогенератора ограничен шумами, т. е. естеств. флуктуациями фазы и амплитуды автоколебаний (см. Стабилизация частоты). В совр. Р. у. с быстрой электронной перестройкой в широком диапазоне рабочих частот в качестве возбудителей колебаний используются синтезаторы частот - устройства, генерирующие множество высокостабильных колебаний на дискретных частотах, синтезируемых из колебаний одного прецизионного кварцевого генератора иликвантового стандарта частоты. Схемы синтезаторов строятся с использованием систем автоподстройки частоты и фазовой синхронизации колебаний.

Для ослабления влияния последующих каскадов на режим работы возбудителей колебаний в схемы Р. у. включаются т. н. буферные усилители, потребляющие мин. мощность сигнала от автогенератора. Часто в тех же целях прибегают к умножению частоты задающего генератора, что одноврем. повышает устойчивость работы Р. у. в целом. В качестве нелинейных элементов в каскадах умножения частоты используют ВЧ-тран-зисторы, пролётные клистроны и др. активные приборы. В диапазоне СВЧ находят применение полупроводниковые диоды (варикапы).



2. Генератор сигналов

Рисунок 2 - Блок схема генератора сигналов

Генератор сигналов -- это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический или другой), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например усилителя охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра). Различают несколько типов генераторов сигналов:

2.1 Генераторы электрических колебаний

· По форме выходного сигнала:

· Синусоидальных, гармонических колебаний (сигналов) (генератор Мейснера, генератор Хартли (индуктивная трёхточка), генератор Колпитца(ёмкостная трёхточка) и др.)[1]

· Прямоугольных импульсов -- мультивибраторы, тактовые генераторы

· Функциональный генератор -- прямоугольных, треугольных и синусоидальных импульсов

· Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН)

· Генератор шума

Существуют также генераторы более сложных сигналов, таких, как телевизионная испытательная таблица

· По частотному диапазону:

· Низкочастотные

· Высокочастотные

· По принципу работы:

· Стабилизированные кварцевым резонатором -- Генератор Пирса

· Блокинг-генераторы

· LC-генераторы

· RC-генераторы[2][3]

· Генераторы на туннельных диодах

· По назначению:

· Генератор тактовых импульсов

Большинство генераторов являются преобразователями постоянного тока в переменный ток. Маломощные генераторы строят на однотактных усилительных каскадах. Более мощные однофазные генераторы строят на двухтактных (полумостовых) усилительных каскадах, которые имеют больший КПД и позволяют на транзисторах той же мощности построить генератор с приблизительно вдвое большей мощностью. Однофазные генераторы ещё большей мощности строят по четырёхтактной (полномостовой) схеме, которая позволяет приблизительно ещё вдвое увеличить мощность генератора. Ещё большую мощность имеют двухфазные и трёхфазные двухтактные (полумостовые) и четырёхтактные (полномостовые) генераторы.

2.2 Генераторы гармонических колебаний

Генератор (производитель) гармонических колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Усилитель с отрицательной обратной связью является дискриминатором (подавителем, активным фильтром). Усилитель генератора может быть как однокаскадным, так и многокаскадным.

Цепи положительной обратной связи выполняют две функции: сдвиг сигнала по фазе для получения петлевого сдвига близкого к n*2? и фильтра, пропускающего нужную частоту. Функции сдвига фазы и фильтра могут быть распределены на две составные части генератора -- на усилитель и на цепи положительной обратной связи или целиком возложены на цепи положительной обратной связи. В цепи положительной обратной связи могут стоять усилители.

Рисунок 2.2 - Типовой график зависимости амплитуды выходного сигнала генератора от частоты



Необходимыми условиями для возникновения гармонических незатухающих колебаний являются:

1. петлевой сдвиг фазы равный n*360°±90°,

2. петлевое усиление >1,

3. рабочая точка усилительного каскада в середине диапазона входных значений.

Необходимость третьего условия.

Петлевой сдвиг фазы и в триггере и в генераторе равен около 360°. Петлевое усиление в триггере почти вдвое больше, чем в генераторе, но триггер не генерирует, так как рабочие точки каскадов в триггере смещены на края диапазона входных значений и эти состояния в триггере устойчивы, а состояние со средней величиной входных значений -- неустойчиво. Такой характеристикой обладает компаратор.

В гармоническом генераторе среднее состояние устойчивое, а отклонения от среднего состояния неустойчивые.

2.3 Устойчивость генераторов

Устойчивость генераторов складывается из двух составляющих: устойчивость усилительного каскада по постоянному току и устойчивость генератора по переменному току.

Фазовый анализ генератора Мейснера.

Генераторы «индуктивная трёхточка» и «ёмкостная трёхточка» могут быть построены как на инвертирующих каскадах (с общим катодом, с общим эмиттером), так и на неинвертирующих каскадах (с общей сеткой, с общим анодом, с общей базой, с общим коллектором).

Каскад с общим катодом (с общим эмиттером) сдвигает фазу входного сигнала на 180°. Трансформатор, при согласном включении обмоток, сдвигает фазу ещё на приблизительно 180°. Суммарный петлевой сдвиг фазы составляет приблизительно 360°. Запас устойчивости по фазе максимален и равен почти ± 90°. Таким образом генератор Мейснера относится, с точки зрения теории автоматического управления (ТАУ), к почти идеальным генераторам. В транзисторной технике каскаду с общим катодом соответствует каскад с общим эмиттером.

Фазовый анализ LC-генератора с СR положительной обратной связью.

Рисунок 2.3 - генератор с положительной обратной связью

Рисунок 2.3.1 - Фазовая диаграмма генератора с положительной обратной связью

LC-генераторы на каскаде с общей базой наиболее высокочастотны, применяются в селекторах каналов почти всех телевизоров, в гетеродинах УКВ приёмников. Для гальванической развязки в цепи положительной обратной связи с коллектора на эмиттер стоит CR-цепочка, которая сдвигает фазу на 60°. Генератор работает, но не на частоте свободных колебаний контура, а на частоте вынужденных колебаний, из-за этого генератор излучает две частоты: большую -- на частоте вынужденных колебаний и меньшую на частоте свободных колебаний контура. При первой итерации две частоты образуют четыре: две исходные и две суммарноразностные. При второй итерации четыре частоты производят ещё большее число суммарноразностных частот. В результате, при большом числе итераций получается целый спектр частот, который в приёмниках смешивается с входным сигналом и образует ещё большее число суммарноразностных частот. Затем всё это подаётся в блок обработки сигнала. Кроме этого, запас устойчивости работы по фазе этого генератора составляет +30°. Чтобы уменьшить шунтирование контура каскадом применяют частичное включение контура через ёмкостной делитель, но при этом происходит дополнительный перекос фазы. При одинаковых ёмкостях дополнительный перекос фазы составляет 45°. Суммарный петлевой сдвиг фазы 60°+45°=105° оказывается больше 90° и устройство попадает из области генераторов в область дискриминаторов, генерация срывается. При оптимально рассчитанном емкостном делителе запас устойчивости по фазе составляет менее 30°.

2.4 Генератор Мейснера на каскаде с общей базой

Рисунок 2.4 - Генератор Мейснера



Если в «ёмкостной трёхточке» на каскаде с общей базой в цепи положительной обратной связи вместо CR-цепочки включить трансформатор со встречным включением обмоток, то петлевой сдвиг фазы составит около 360°.

Рисунок 2.4.1 - Фазовая диаграмма генератора Мейснера

Генератор станет почти идеальным. Чтобы уменьшить шунтирование контура каскадом и не внести дополнительного перекоса фазы, нужно применить частичное включение контура без дополнительного перекоса фазы через два симметричных отвода от катушки индуктивности. Такой генератор излучает одну частоту и имеет наибольший запас устойчивости по фазе (± 90°).



3. Точность формирования несущей частоты излучения РПдУ и способы ее повышения

В большинстве современных радиоустройств, как, например, локационных, связных и т. п., одной из наиболее важных задач является получение электрических колебаний определенной частоты. Точность поддержания заданного номинала характеризует стабильность рабочей частоты радиоустройства. Под колебаниями рабочей частоты следует понимать электрические колебания, соответствующие основному назначению данного аппарата, например в приемнике - колебания гетеродина, в передатчике - излучаемые колебания. Образование рабочей частоты можно считать завершенным, если во всех последующих каскадах принципиально невозможно изменение стабильности.

Применяемые в настоящее время в радиоустройствах схемы образования рабочей частоты трудно строго разделить на какие-либо группы с четко выраженными характерными особенностями. Однако можно указать три известных метода стабилизации частоты:

а) параметрический;

б) при помощи электромеханических колебательных систем;

в) с автоматической подстройкой.

Для параметрической стабилизации

характерным является:

1) использование высококачественных деталей в контурах, задающих частоту;

2) применение методов компенсации, уменьшающих воздействие температуры на параметры контура;

3) выбор схем автогенераторов, обеспечивающих наименьшее влияние режима ламп и последующих каскадов на генерируемую частоту.

Стабилизация при помощи электро-механических колебательных систем основана на применении физических тел, обладающих высокой эталонностью собственной частоты и малым декрементом затухания. Кроме этих качеств, тела, применяемые для стабилизации, должны обладать свойством преобразования энергии электрических колебаний в механическую энергию, и наоборот. Указанные качества имеют в первую очередь кристаллы, как, например, кварц, турмалин, обладающие прямым и обратным пьезоэлектрическим эффектом. Как преобразователи механической энергии в электромагнитную могут также использоваться устройства с камертонами, магнито-стрикционными стержнями и т. п.

Система автоматической подстройки частоты основана на принципе автоматического регулирования, широко применяющемся в различных областях техники.

Принцип этот состоит в том, что регулируемый параметр сравнивается с эталоном. При отклонении величины параметра от его номинального значения система регулирования автоматически уменьшает это отклонение. В интересующем нас случае регулируемым параметром является рабочая частота, а эталоном -- частота какого-либо генератора, обладающего высокой стабильностью. Система регулирования состоит в этом случае из частотного или фазового детектора и управляющего элемента. Последний, воздействуя на один из параметров контура генератора, изменяет рабочую частоту, приближая ее к номиналу.

Рисунок 3 - Блок-схема интерполяционного возбудителя

Перечисленные три метода могут применяться каждый независимо от другого и совместно в любой комбинации.

В качестве примера комбинированного метода стабилизации можно привести интерполяционные схемы возбудителей. Принцип построения подобных схем, впервые предложенный проф. Зейтленком, легко понять из рассмотрения рисунок 3.1.

Колебания кварцованного генератора 1, имеющие высокостабильную частоту f, и колебания генератора плавного диапазона 2 или, как его иногда называют, интерполяционного генератора, имеющие частоту F, поступают на смеситель 3, в анодную цепь которого включен перестраивающийся резонансный контур, выделяющий одну из комбинационных частот вида f± F. Изменяя частоту F и настройку контура, можно в заданном диапазоне получить любую рабочую частоту.

Обычно интерполяционный генератор, имеющий параметрическую стабилизацию, обладает худшей стабильностью по сравнению с кварцованным генератором. Однако, чем больше частота f по сравнению с частотой F, тем выше результирующая стабильность рабочей частоты f ±F, так как в этом случае отклонение частоты F интерполяционного генератора будет относительно мало сказываться на стабильности рабочей частоты f ±F.

Примем обозначения:

f0- номинальное значение рабочей частоты;

?f0- отклонение рабочей частоты от ее номинального значения;

?f- отклонение частоты кварцованного генератора от ее номинального значения;

- относительная нестабильность рабочей частоты;

- относительная нестабильность частоты кварцованного генератора;

- относительная нестабильностьчастоты интерполяционногогенератора;

- интерполяционное число.

Как известно:

. (3.1)

Если и то из (3.1)следует:

. (3.2)

Из формулы (3.2) следует, что стабильность рабочей частоты в n раз выше стабильности частоты интерполяционного генератора.

Следует отметить, что широко применяются (особенно в измерительной аппаратуре) интерполяционные схемы, в которых рабочая частота образуется в результате смешения колебаний, создаваемых двумя или более кварцованными генераторами.

Недостатком интерполяционных схем является наличие на выходе, кроме полезного напряжения рабочей частоты, также вредных напряжений других комбинационных частот. При использовании таких схем в качестве задающих генераторов передатчиков эти колебания комбинационных частот излучаются в окружающее пространство. При использовании рассмотренных схем в качестве гетеродинов приемников колебания комбинационных частот вызывают появление ложных каналов приема. Снижение уровня напряжения вредных комбинационных частот частично достигается применением достаточного количества фильтрующих цепей, что, очевидно, усложняет конструкцию аппаратуры.

От указанного недостатка в значительной степени свободны схемы, использующие метод автоподстройки.

В этом случае по одной из указанных выше схем собирается генератор эталонных частот, но колебания, генерируемые им, используются не для излучения в окружающее пространство или для преобразования частоты принимаемого сигнала, а как эталон, по которому автоматически происходит корректировка частоты стабилизируемого генератора.

Блок-схема метода стабилизации частоты при помощи автоматической подстройки изображена на рисунке 3.2. Устройство 2 производит автоматическую регулировку частоты стабилизируемого генератора 3 по частоте генератора эталонных частот 1 и называется системой автоматической подстройки частоты или сокращенно автоподстройки.

В рассматриваемой схеме для излучения в окружающее пространство или для смешения с принимаемым сигналом служат колебания стабилизируемого генератора. Комбинационные частоты', которые могут оказаться на выходе генератора эталонных частот, не попадают в тракт радиоустройства, вследствие чего на выходе возбудителя имеется всегда только одна рабочая частота. Практически вследствие трудно устранимых паразитных связей, а также по некоторым другим причинам, изложенным в гл. 6, не удается обеспечить полного подавления напряжений комбинационных частот, однако интенсивность их на выходе возбудителя оказывается во много раз меньшей, чем на выходе генератора эталонных частот.

Рисунок 3.1 - Блок-схема автоматической подстройки частоты

Автоподстройка частоты широко применяется также в так называемых приемниках с автоматической настройкой. В этом случае эталонной является частота сигнала принимаемой радиостанции. Частота гетеродина приемника изменяется автоматически таким образом, что разность между частотами сигнала и гетеродина всегда равна номинальному значению промежуточной частоты. Подобное устройство позволяет значительно облегчить настройку приемника на выбранную станцию и обеспечивает устойчивый прием даже при нестабильной частоте передатчика.

Указанные выше достоинства определили широкое использование метода автоподстройки частоты в современных радиоустройствах.

В тех случаях, когда в качестве эталона применяется частота модулированных колебаний или когда колебания стабилизируемого генератора модулируются до сравнения с эталонной частотой, необходимо при проектировании аппаратуры с автоподстройкой частоты учитывать применяемый тип модуляции. При частотной модуляции стабилизируемых или эталонных колебаний, когда происходят полезные изменения их частоты неправильно выбранная схема автоподстройки может оказывать демодулирующее действие. Во избежание этого явления схема автоподстройки должна реагировать лишь на среднюю частоту, т. е. на ту частоту, которую имеют колебания при отсутствии модулирующего напряжения. Для того чтобы выполнить указанное требование, существуют различные варианты схем, не позволяющие системе автоподстройки реагировать на полезное изменение частоты, но обеспечивающие корректировку уходов средней частоты.



4. Автоматическая подстройка частоты

Назначение. Устройства автоматической подстройки частоты (АПЧ) служат для стабилизации и управления частотой автогенератора по эталонному сигналу. Разнообразно применение систем АПЧ в радиоприемных и радиопередающих устройствах. Назовем несколько наиболее типичных случаев их использования:

- в синтезаторах частоты, с помощью которых создается дискретное множество частот при одном эталонном сигнале;

- для стабилизации частоты мощных автогенераторов по слабому сигналу эталонного автогенератора, что позволяет существенно сократить число ВЧ или СВЧ усилительных каскадов;

- для автоматической подстройки частоты гетеродина радиоприемника по частоте принимаемого сигнала.

Обобщенная структурная схема устройства АПЧ. Такая схема приведена на рис. 4. В устройстве сравниваются сигналы эталонного и стабилизируемого автогенераторов, в результате чего вырабатывается сигнал ошибки. После фильтрации этот сигнал управляет стабилизируемым автогенератором, частота которого по установленному алгоритму следит за частотой эталонного автогенератора. В устройство АПЧ входят также преобразователи частоты формируемого сигнала и устройство поиска, осуществляющее ввод всего устройства в режим автоматического регулирования.

Классификация. В зависимости от способа получения сигнала ошибки различают: устройства частотной автоподстройки частоты (ЧАП), фазовой автоподстройки частоты (ФАЛ) и комбинированные (ЧАП - ФАП). В устройствах ЧАП сигнал ошибки вырабатывается путем сравнения частот сигналов эталонного и стабилизируемого автогенераторов, в устройствах ФАП - путем сравнения t фаз тех же сигналов. По виду сигнала в цепи управления устройства АПЧ подразделяют на непрерывные при аналоговом сигнале и дискретные.

Последние, в свою очередь, в зависимости от метода квантования сигнала подразделяют на релейные (при квантовании по уровню), импульсные (при квантовании по времени) и цифровые (при квантовании по уровню и времени).

Рисунок 4 - Структурная схема устройства ЧАП непрерывного типа

Основные звенья. Рассмотрим основные звенья, входящие в устройства АПЧ. В качестве эталонного генератора в ней обычно используется высокостабильный кварцевый автогенератор или принимаемый радиосигнал, а в качестве стабилизируемого генератора - автогенератор с параметрической стабилизацией частоты. В качестве звена фильтрации применяется фильтр нижних частот 1, 2-го или более высокого порядка. Преобразователи частоты, включаемые после автогенераторов, могут выполнять такие функции, как умножение, деление или смещение частоты сигнала.

Звеном сравнения в ЧАП является частотный дискриминатор, напряжение на выходе которого Uд зависит от разности частот входных сигналов - стабилизируемого (fст) и эталонного (fэт):

(4.1)



Пример такой характеристики, начальный участок которой является линейным с крутизной Sд, приведен на рисунке 4.1, а.

Рисунок 4.1 - Характеристики частотного дискриминатора

Звеном сравнения в ФАП является фазовый дискриминатор, напряжение на выходе которого Ucp зависит от разности фаз сигналов эталонного и стабилизируемого автогенераторов: Ucp=y(jст-jэт). Ниже звенья сравнения - дискриминаторы - будут рассмотрены более подробно. Звеном управления обычно является управляющий элемент с варикапом или ферритом, устройство которых рассматривается ниже. Назначение данного элемента состоит в управлении частотой стабилизируемого автогенератора в зависимости от величины напряжения на его входе. Поэтому данное звено определяется зависимостью Df=y(Uу), пример которой приведен на рис. 4.1, б. Начальный участок данной характеристики обычно является линейным с крутизной Sy. Системы АПЧ являются нелинейными устройствами, поскольку в них одно или несколько звеньев являются нелинейными. При линеаризации таких звеньев исследование АПЧ проводится в рамках линейной модели, что позволяет получить некоторые важные результаты. Параметры устройства АПЧ. Следующие параметры, которые называются показателями качества процесса регулирования, характеризуют работу устройств АПЧ. Точность определяется отклонением частоты стабилизируемого автогенератора от номинального значения в установившемся режиме. При действии на устройство помимо полезного сигнала и помехи точность определяется средней и среднеквадратической шибкой. Коэффициент авторегулирования Крег - отношение первоначальной ошибки по частоте автогенератора в момент его включения к ошибке в установившемся режиме работы. Пусть ошибка частоты автогенератора (ее отклонение от номинального значения) равна 1 МГц, а после окончания процесса регулирования она снижается до 100 Гц. Для коэффициента регулирования получим: Крег=106/100=104.

Полоса схватывания - максимально допустимая величина первоначальной ошибки по частоте автогенератора, при которой устройство нормально функционирует после его включения.

Полоса удержания - максимально допустимая величина собственной ошибки по частоте автогенератора в установившемся Режиме работы. Как правило, полоса удержания больше полосы схватывания.

Переходный процесс установления частоты стабилизируемого автогенератора после включения устройства АПЧ или изменения частоты эталонного генератора. Обычно этот процесс носит апериодический или затухающий колебательный характер. Время установления частоты стабилизируемого автогенератора - время переходного процесса, за которое частота входит в определенную зону.

Устойчивость работы устройства АПЧ определяется несколькими параметрами. Поскольку устройство АПЧ является схемой с обратной связью, то в ней подобно автогенератору могут возникнуть собственные автоколебания, если будут выполнены условия баланса амплитуд и фаз. Такой режим работы является недопустимым в устройстве АПЧ, которое должно отслеживать изменения частоты входных сигналов, а не создавать собственные автоколебания. Более того, следует иметь определенный запас по устойчивости.

тракт помехоустойчивость генератор мейснер



5. Частотная автоподстройка частоты

Звенья устройства. Структурная схема устройства ЧАП непрерывного типа соответствует схеме АПЧ (рис. 4).

В ней под звеном сравнения следует понимать частотный дискриминатор, напряжение на выходе которого зависит от частоты на его входе. Известно несколько схем частотных дискриминаторов, наиболее распространенными из которых являются схемы балансного типа (рис. 5) и на расстроенных контурах.

Рисунок 5 - Частотный дискриминатор балансного типа

В качестве частотного дискриминатора может использоваться и микросхема, имеющая два входа (рис. 5.1, а). На 1-й вход подается сигнал частоты f0, определяющий среднюю частоту дискриминатора, а на 2-й - сигнал разностной частоты fр=fст-fэт. При fp>f0 напряжение на выходе дискриминатора ид=Uд, а при fp<f0 напряжение ид=-Uд. В результате характеристика дискриминатора имеет вид, приведенный на рис. 5.1, б.

Рисунок 5.1 - Характеристика дискриминатора



Из схем управления частотой автогенератора выделим две: с варикапом и ферритом. Варикапом называется полупроводниковый диод, емкость закрытого р-n-перехода которого существенно зависит от значения обратного напряжения Uобр. Данная зависимость определяется следующим примерным соотношением

(5.1)

Схема управляющего элемента с варикапом приведена на рис. 5.2.

Рисунок 5.2 - Схема управляющего элемента с варикапом

Схема управляющего элемента с ферритом показана на рис. 5.3. Катушка индуктивности с ВЧ ферритом располагается в зазоре электромагнита. При изменении тока подмагничивания меняется дифференциальная магнитная проницаемость феррита, что приводит к измерению индуктивности контура и частоты автоколебаний.

Рисунок 5.3 - Схема управляющего элемента с ферритом



В обеих схемах характеристика управляющего элемента Dfy=y(Uy) подобна характеристике, приведенной на рис. 4.1,б. В качестве ФНЧ может использоваться однозвенный RC-фильтр (рис. 5.4).

Рисунок 5.4 - Однозвенный RC-фильтр

Определим точность ЧАП в установившемся режиме работы, в котором линейная модель устройства описывается системой из трех уравнений: (5.2)

где Dfст - отклонение частоты стабилизируемого автогенератора от номинального значения; Dfн - начальная расстройка того же автогенератора; Dfy - изменение частоты автогенератора под действием управляющего элемента в замкнутой системе. (Остальные параметры определены выше на рис. 4.1.). Решив совместно уравнения (5.2), получим уравнение для отклонения частоты стабилизируемого автогенератора в установившемся режиме работы

(5.3)

где Dfо. р. - остаточная расстройка.

Из (5.3) следует, что благодаря действию устройства ЧАП первоначальное отклонение частоты стабилизируемого автогенератора от номинального значения Dfн уменьшается в Крег=(1+SуSд) раз. Поскольку коэффициент авторегулирования Крег>>1, то это уменьшение может быть весьма существенным - в 1000 и более раз. Графическое решение уравнений (5.2) представлено на рис. 5.5.

Из него также следует, что решением уравнений (5.2) является величина Dfст=Dfо. р.. Именно на эту величину, которая определяет точность ЧАП, отличается частота стабилизируемого автогенератора от номинального значения в установившемся режиме.

Рис. 5.5 Графическое решение уравнений (5.2)

Пример. Начальная расстройка Dfн=000 кГц. Крутизна Sy=400 кГц/В, крутизна Sд=5 В/кГц. Коэффициент регулирования Крег=1+SуSд=2001. Остаточная расстройка Dfо. р.=Dfн/Крег=0,5 кГц. Таким образом, нестабильность частоты стабилизируемого автогенератора с 1000 кГц уменьшается до 500 Гц.

5.1 Фазовая автоподстройка частоты

Звенья устройства. Структурная схема устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАП) непрерывного типа соответствует обобщенной схеме АПЧ (рис. 4). В ней под звеном сравнения следует понимать фазовый дискриминатор, напряжение на выходе которого зависит от мгновенной разности фаз входных сигналов. Таким образом, единственное отличие ФАП от ЧАП состоит в замене сравнивающего элемента - частотного дискриминатора на фазовый, что, однако, приводит к важным изменениям в работе устройств.

Известны несколько схем фазовых дискриминаторов, одна из которых - кольцевого типа - изображена на рис. 5.1.1. Все остальные звенья схемы ФАП идентичны рассмотренным выше звеньям ЧАП.

Рисунок 5.1.1 - Схема фазового дискриминатора кольцевого типа

Фазовый дискриминатор, вырабатывающий напряжение, зависящее от разности мгновенных фаз входных колебаний, можно рассматривать как перемножитель этих колебаний. Докажем данное положение.

Перемножим два колебания:

(5.4)

После фильтрации колебания с суммарной частотой получим выходной сигнал, зависящий от разности фаз входных сигналов:

(5.5)

Рассмотрим установившийся режим работы ФАП, приняв во внимание два обстоятельства. Во-первых, поскольку в этом режиме напряжение на выходе фильтра нижних частот равно входному напряжению, то справедливо следующее равенство: uф. д.=uу, где uф. д. - напряжение на выходе фазового дискриминатора, uу - напряжение на входе управляющего элемента (рис. 5.1.2). Во-вторых, в нормально функционирующей ФАП должна устанавливаться постоянная разность фаз сигналов стабилизируемого и эталонного АГ

что означает равенство частот этих колебаний

fст(t)=fэт(t)

или выполнение равенства

Dfст=Dfн-Dfу=0, т. е. Dfу=Dfн.

Рисунок 5.1.2 - Установившийся режим работы ФАП

С учетом последних соотношений для ФАП в установившемся режиме справедлива следующая система из двух уравнений:

(5.6)

Решим уравнения (5.6) графическим путем (рис. 5.1.3). Здесь возможны три случая:

1) графики функций пересекаются во множестве точек;

2) график второй функции (15.6) является касательной по отношению к первой;

3) графики не имеют ни одной точки пересечения.

Рисунок 5.1.3 - Графическое решение уравнения (5.6)

Очевидно, в 3-м случае, при котором нет точек пересечения графиков, система уравнений (15.6) не имеет решения, что означает неработоспособность ФАП. В 1-м случае есть множество точек пересечения графиков - по две на каждый период, - и, следовательно, ФАП должна нормально функционировать. Следует рассматривать 2-й случай как крайний случай 1-го, при котором начальная расстройка Dfн стабилизируемого АГ может быть максимальна. Такое максимальное значение Dfн, в установившемся режиме называется полосой удержания (см. разд. 5.2), для которой согласно (5.6) получим

(5.7)

Из проведенного анализа следует, что преимущество ФАП перед ЧАП состоит в ее более высокой точности: в ФАП частоты стабилизируемого и эталонного автогенераторов равны, в ЧАП они отличаются на величину остаточной расстройки Dfо. р. Для обеспечения большой полосы схватывания и высокой точности применяют комбинированные схемы ЧАП - ФАП.



6. Частотно-фазовая автоматическая подстройка частоты

Обычным системам АПЧ свойственно противоречие между расширением полосы захвата и повышением их фильтрующей способности. Действительно, сужая полосу пропускания фильтра в цепи управления и уменьшая полосу удержания, можно значительно увеличить фильтрующую способность системы. Однако при этом, как было ранее показано, неизбежно снижается полоса захвата.

Это противоречие можно отчасти устранить правильным выбором типа и параметров фильтра и самой системы ФАПЧ в целом. Полностью его устранить невозможно как в силу ограниченности максимальной вносимой управляющим элементом расстройки, так и в силу существования зависимости между амплитудной и фазовой характеристиками фильтров минимально-фазового типа, которые следует применять в цепи управления системы.

Кроме астатической и поисковой систем, позволяющих смягчить указанное противоречие, получили распространение системы АПЧ с различными дополнительными элементами и устройствами, которые дают возможность также решать ряд разнообразных практических задач. К таким системам относятся комбинированные частотно- фазовые системы, системы с нелинейными цепями управления, системы с комбинированным управлением, системы с инерционно- нелинейными и переменными параметрами и т. п.

Рассмотренные в предыдущих разделах способы улучшения динамических свойств системы и повышения ее помехоустойчивости не являются единственными. Иное направление их улучшения связано с введением в систему регулирования сигнала, пропорционального производной ошибки. Применительно к системам ЧФАПЧ это означает введение воздействия от дополнительного частотного детектора на подстраиваемый генератор. Сущность этого метода состоит в том, что частотный детектор измеряет мгновенную частотную ошибку и вводит такое воздействие на частоту подстраиваемого генератора, которое при правильном конструировании уменьшает эту ошибку. Очевидно, это облегчает условия работы кольца ФАПЧ.

Рисунок 6 - Структурная схема ЧФАПЧ

Структурная схема одной из разновидностей системы ЧФАПЧ показана на рисунке 6. Частотный детектор в этой схеме может быть либо обычным, либо нулевых биений. В первом случае через сумматор С и фильтр ФНЧ2 вводится воздействие, пропорциональное производной фазы (частоте) подстраиваемого генератора. Во втором случае на частотный детектор, кроме сигнала подстраиваемого генератора, поступает эталонный сигнал (показано пунктиром), поэтому выходной сигнал частотного детектора пропорционален производной разности фаз эталонного и подстраиваемого генераторов. (При использовании обычного частотного детектора устраняется возможность проникновения через него помех со входа системы, но зато сам детектор вносит некоторую начальную расстройку вследствие нестабильности собственной частоты подстраиваемого генератора. Детектор нулевых биений вносит значительно меньшую нестабильность, но пропускает указанные помехи. При немодулированном эталонном сигнале и отсутствии помех обе схемы эквивалентны с точки зрения их анализа.

Уравнение системы ЧФАПЧ записывается следующим образом:

(6.1)

Здесь K1(p) и К2(р) - операторные коэффициенты передачи фильтров нижних частот, через которые передаются сигналы фазового и частотного детекторов соответственно, ?2 - максимальное отклонение частоты, вносимое ветвью частотной подстройки, F1 и F2 - нелинейные нормированные характеристики фазового и частотного детекторов соответственно, ?н - значение начальной расстройки с учетом действия системы ЧАП.

В простейшем случае положим

K2(p) = 1, K1(p) = (1 + Тр)-1,

тогда уравнение системы принимает вид:

(6.2)

Это уравнение совпадает с уравнением обычной системы ФАПЧ при использовании в ней интегрирующего фильтра с эквивалентной постоянной времени, полосой удержания и начальной расстройкой, уменьшенными в раз. Поэтому для расчета полосы захвата, переходных процессов, передаточной функции и т. д. справедливы формулы, полученные для обычной системы ФАПЧ. В частности, полоса захвата при больших значениях определяется выражением:

, (6.3)

что свидетельствует об увеличении полосы захвата

Рассмотрим теперь динамику системы при K1(p) = K2(p)= 1/(1+Tp). В этом случае уравнение(6.1) принимает вид:

(6.4)

(6.5)

Здесь , , .Параметры ?н и ? считаются малыми. Тогда можно применить принцип усреднения. Введем функцию:

(6.6)

характеризующую запас энергии в соответствующей порождающей консервативной системе (? = ?н= ?2= 0)- Производная от V по ? в соответствии с уравнениями (6.4) и (6.5):

(6.7)

Отыскание полосы захвата рассматриваемой системы связано с определением условий, при которых в области V> 0 отсутствуют стационарные точки уравнения (6.3), Граничные условия при V = 2 выражаются как:

(6.8)

Интересно отметить, что полоса захвата в такой системе зависит от знака х, что объясняется асимметрией характеристики f(x) частотного детектора. Очевидно, что при нечетной характеристике частотного детектора формула для полосы захвата упрощается:

, (6.9)

В некоторых случаях характеристику частотного детектора удобно представить следующим рядом:

(6.10)

Очевидно, что при и полоса захвата в системе ЧФАПЧ больше, чем в системе ЧАПЧ и ФАПЧ.

На рис. 6.1а [1967, 31] показаны зависимости полосы захвата от параметров системы для двух характеристик

и

Эти зависимости подтверждают сделанный ранее вывод о расширении полосы захвата в системе ЧФАПЧ по сравнению с полосой захвата системы ФАПЧ. Проанализируем систему ЧФАПЧ при значительном различии постоянных времени интегрирующих фильтров.

В результате качественного анализа и численных расчетов ЭВМ получены зависимости полосы захвата от параметров системы, показанные на рисунок 6.2.

Рисунок 6.1 - Зависимость полосы захвата частотно-фазовой системы автоподстройки частоты от параметров фильтра

Рисунок 6.2 - Зависимость полосы захвата частотно-фазовой системы автоподстройки частоты от параметров фильтра

Проанализируем систему ЧФАПЧ с синусоидальной характеристикой фазового детектора, одинаковыми интегрирующими фильтрами после фазового и частотного детекторов и характеристикой последнего вида:

, (6.11)

В результате качественного анализа и численных расчетов ЭВМ получены зависимости полосы захвата от параметров системы, показанные на рисунок 6.2.

В частном случае малой постоянной времени фильтра, включенного на выходе фазового детектора, было установлено равенство полосы захвата полосе удержания. Итак, дополнительное регулирование по частотной ошибке увеличивает (при правильно выбранных параметрах) полосу захвата системы.

Для оценки фильтрующей способности системы можно воспользоваться передаточной функцией ее линеаризованной модели:

(6.12)

где - крутизна характеристики частотного дискриминатора при нулевой частотной ошибке.

Сравнивая это выражение с передаточной функцией системы ФАПЧ с дополнительным фазовым модулятором в цепи обратной связи, видим, что при соответствующем выборе параметров они могут быть равными. При этом, если частотный детектор линеен, то и полосы захвата в обеих системах оказываются почти одинаковыми. Следовательно, в системе ЧФАПЧ при слабых флуктуациях разрешается противоречие между полосой захвата и шумовой.

При рассмотрении системы ЧФАПЧ с одинаковыми RС-фильтрами в частотной и фазовой петлях автоподстройки при больших флуктуационных шумах, установлено, что при этом в системе ЧФАПЧ дисперсия частотной ошибки больше, чем в системе ФАПЧ с такой же полосой захвата. При малых же флуктуациях система ЧФАПЧ имеет меньшую дисперсию частотной ошибки, чем система ФАПЧ.

Реальные системы ЧФАПЧ могут иметь различные модификации. На рисунке 6.3 показана структурная схема системы ЧФАПЧ. Особенность этой системы состоит в том, что частотный и фазовый детекторы работают на промежуточной частоте. Преобразование частоты осуществляется с помощью от дельного смесителя СМ. При этом опорный сигнал для фазового детектора образуется с помощью специального опорного генератора ОГ.

Рисунок 6.3 - Структурная схема системы ФАПЧ, работающей на промежуточной частоте



Заключение

В курсовой работе были рассмотрены: способы формирования несущей частоты излучения РПдУ, их достоинства и недостатки, структурные элементы РПдУ, формирующие несущую частоту излучения, точность формирования несущей частоты. Можно указать три известных метода стабилизации частоты:

а) параметрический;

б) при помощи электромеханических колебательных систем;

в) с автоматической подстройкой.

Система автоматической подстройки частоты основана на принципе автоматического регулирования, широко применяющемся в различных областях техники. Способами автоматической подстройкой несущей частоты радиоизлучения в РПдУ являются ЧАП и ФАП. По сравнению с частотной АПЧ фазовая АПЧ более чувствительна, т.к. реагирует даже на самое малое расхождение частот. Для обеспечения большой полосы схватывания и высокой точности следует применять комбинированные схемы ЧАП - ФАП. Сущность метода частотно-фазовой автоматической подстройки частоты в тракте формирования и генерации радиопередающего устройства состоит в том, что частотный детектор измеряет мгновенную частотную ошибку и вводит такое воздействие на частоту подстраиваемого генератора, которое при правильном конструировании уменьшает эту ошибку. Очевидно, это облегчает условия работы кольца ФАПЧ.



Список литературы

1. Автоматическая подстройка частоты М.Р.Капланов 1956 г.

2. Приёмо-передающие радиоустройства и системы связи А. С. Садомовский.

3. Сиверс А.П. Проектирование радиоприемных устройств, М., Радио и связь, 2006.

Размещено на Allbest.ru