CC BY
116
УДК 621.39:621.376.4
Дискриминаторы с управляемой характеристикой в системах частотной автоподстройки частоты
Д. А. Кравченко, аспирант каф. «Радиоприемные устройства и телевидение», e-mail: [email protected]
В. С. Плаксиенко, д. т. н., проф. каф. «Радиоприемные устройства и телевидение», e-mail: [email protected]
П. В. Сучков, к. т. н., доцент каф. «Радиоэлектронные системы», e-mail: [email protected] ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса», г. Шахты
Представлен анализ результатов моделирования системы частотной автоподстройки частоты гетеродина с дискриминатором с взаимными обратными связями в среде Microcap; показано, что управление крутизной относительной дискриминационной характеристики уменьшает остаточную частотную расстройку частоты гетеродина при работе в шумах.
The authors examine the simulation of automatic frequency control system for the heterodyne with discriminator and mutual feedback in the Microcap environment. The study proves that the steepness control of relative discriminatory characteristic reduces the residual frequency detuning for the heterodyne in noise setting.
Ключевые слова: система частотной автоподстройки частоты, дискриминатор с управляемой характеристикой, шум, относительная дискриминационная характеристика.
Keywords: automatic frequency control systems, discriminator with a controlled feature, noise, relative discriminatory characteristics.
Одной из важных задач, стоящих перед современными радиотехническими системами, является осуществление синхронизации гетеродина. Синхронизацию местного гетеродина выполняют при помощи системы автоподстройки частоты (АПЧ). Известно, что существенное значение для работы системы АПЧ имеет форма характеристики дискриминатора, а при работе в шумах - фильтрация помех. Требования получения широкой полосы слежения и помехозащищенности системы противоречат друг другу, и в условиях априорной неопределенности сведений о радиосигналах их одновременное выполнение представляет собой сложную задачу [1].
В статье рассмотрен один из методов решения задачи синхронизации гетеродина: уменьшение остаточной частотной расстройки гетеродина А/Т.алч при работе системы ЧАПЧ в шумах за счет применения частотных дискриминаторов (ЧД) с взаимными обратными связями (ЧДВОС), реализующих алгоритм уровневой обработки сигналов [2].
Если к системе частотной автоподстройки частоты (ЧАПЧ) не предъявляются требования помехоустойчивости, то полосу пропускания фильтра нижних частот (ФНЧ) в цепи управления подстраиваемого генератора (гетеродина) выбирают из условия подавления побочных продуктов частоты модуляции. При этом остаточная расстройка частоты гетеродина выражается в виде
Л г _ м .нач _ ______Лг
.нач , (1)
Л Л.АПЧ “ , _1 + |С |С К '
кАПЧ 1 + Рчд| ^упр Кп
кАПЧ - коэффициент автоподстройки; 5Чд - крутизна характеристики ЧД; 5упр - крутизна характеристики регулятора частоты; А/.нач - начальная расстройка гетеродина; Кп - коэффициент передачи в петле обратной связи.
При работе в шумах шумовая составляющая входного сигнала А/гш попадает в цепь управления и воздействует на подстраиваемый генератор, что приводит к дополнительной частотной расстройке. Тогда
л , _ А /г .нач _ __А/
.нач . л/ (2)
АУг.АПЧ _ ; і ^ тг +АУг.ш. Vа)
кАПЧ 1 + рЧД | ^упр Кп
Крутизна характеристики ЧД в шумах падает с уменьшением соотношения «сигнал/шум», что приводит к уменьшению кАПЧ, а значит, и к увеличению частотной расстройки Д/Т.АПЧ. Следует заметить, что изменение значения Кп не решает проблемы увеличения частотной расстройки А/г.АПЧ в шумах. Это объясняется тем, что вместе с постоянной составляющей управляющего напряжения иупр изменяется и его флуктуационная составляющая, обусловленная входными шумами.
Рассмотрим работу системы АПЧ, если в качестве частотного дискриминатора применить ЧДВОС. Структурная схема системы ЧАПЧ с ЧДВОС приведена на рис. 1, где СМ - смеситель; Ф1, Ф2 и Ф3 - полосовые фильтры, причем Ф1 -фильтр усилителя промежуточной частоты, Ф2 и Ф3 - фильтры балансного частотного детектора; ФНЧ1, ФНЧ2 и ФНЧ3 - фильтры нижних частот.
Дискриминаторы с управляемой характеристикой в системах частотной автоподстройки частоты
Среднее значение управляющего напряжения иупр подстраиваемого генератора для ЧДВОС будет выше, чем для БЧД, что эквивалентно увеличению £АПЧ, а значит, и уменьшению первого слагае-
Д /г . нач
мого в(2)
1 + 5ЧД 5упр Кп
Характеристикой, наиболее полно определяющей параметры дискриминаторов (крутизна, линейность) и степень устойчивости в условиях воздействия помех, является относительная дискриминационная характеристика [2], представляющая собой отно-М /)
шение 5 (/)=
где М(/) -
Рис.1. Схема системы ЧАПЧ с ЧДВОС
В ЧДВОС, за счет цепей обратных связей, возможно управление формой и крутизной дискриминационной характеристики F(A). В качестве параметра X здесь выступает мощность флуктуа-ционной составляющей процесса на входе ЧД. Для оценки параметра X в схему введен измеритель дисперсии входного процесса.
Дискриминационная характеристика ЧДВОС может иметь различную форму, которая зависит от глубины обратных связей между каналами. Регулировка формы характеристики ЧДВОС осуществляется при помощи изменения коэффициентов усиления (передачи) К в цепях обратных связей (управляемые усилители 1 и 2 на рис. 1). При этом возможны четыре режима работы дискриминатора [2 - 4]:
1) К=0 - соответствует обычному балансному ЧД без обратных связей;
2) 0<К<1 - мягкий режим;
3) К=1 - критический режим;
4) К>1 - жесткий режим.
Эффективность работы устройства, схема которого изображена на рис.1, подтверждают результаты математического моделирования в среде Місгосар, на основании которого были построены эпюры, представленные ниже на рис. 2 - 7.
В ЧД величина максимумов характеристики и ее крутизна неизбежно уменьшаются при воздействии шумов на его входе. На рис. 2 приведены дискриминационные характеристики для ЧДВОС и для обычного балансного частотного дискриминатора (БЧД) при работе в шумах.
математическое ожидание процесса на выходе дискриминатора; 0(/) - дисперсия флук-туационной составляющей выходного процесса.
На рис. 3 приведены относительные дискриминационные характеристики для обычного БЧД и для ЧДВОС. Как следует из этого рисунка, отношение постоянной составляющей к флуктуацион-ной у ЧДВОС значительно выше, а значит, остаточная частотная расстройка при его применении в кольце ЧАПЧ будет меньше, чем у обычного ЧД.
На рис. 4 и 5 приведены эпюры управляющего напряжения на выходе ФНЧ3 (на входе управляемого генератора) при разомкнутых (К = 0) и замкнутых (К Ф 0) обратных связях ЧДВОС. Эпюры на
Рис. 2. Дискриминационные характеристики: кривая 1 - БЧД (К = 0); кривая 2 - ЧДВОС (К = 0,9)
Рис. 3. Относительные дискриминационные характеристики: кривая 1 -БЧД; кривая 2 -ЧДВОС
рис. 4 соответствуют разомкнутой петле системы ЧАПЧ, а на рис. 5 - замкнутой петле системы ЧАПЧ. Данные кривые получены при изменении частотной расстройки от -А/Т до +А/Т, что объясняет асимметрию кривых на рис. 5, где А/Т = ± 10 кГц.
Рис. 4. Напряжение на выходе ФНЧ3 для разомкнутой системы ЧАПЧ
Рис. 6. Регулировочные характеристики системы ЧАПЧ
и ,В
УПР
1510 12-10 9-Ю 6-Ю 310
-3-Ю
-6-Ю
-9-Ю
-1210
-1510
ік< 1
.
к 1 7
0 ТО
1
; кГц
Рис. 5. Управляющее напряжение на выходе ФНЧ3 для замкнутой системы ЧАПЧ
При увеличении глубины обратных связей увеличивается крутизна характеристик и их размах, что однозначно приводит к расширению полосы захвата Пзхв и полосы удержания Пуд. Однако чрезмерное повышение коэффициентов К до значений «1» и более в цепях обратных связей приводит к прямоугольной и даже к гистерезисной форме характеристики ЧДВОС (см. рис. 4), что, в свою очередь, приведет к потере устойчивости системы ЧАПЧ (см. рис. 5, кривая К>1), поэтому необходимо обеспечить такой режим работы ЧДВОС, при котором дискриминационная характеристика не достигает прямоугольной формы [4].
Однако однозначно об эффективности системы ЧАПЧ с ЧДВОС можно судить по регулировочным характеристикам, представляющим собой зависимость остаточной частотной расстройки частоты гетеродина /Тост от его начальной расстройки /Т. нач. Регулировочные характеристики при К=0 и при 0<^<1 представлены на рис. 6, из которых следует, что увеличение коэффициента обратной связи К приводит к уменьшению остаточной расстройки /гост.
В качестве примера, иллюстрирующего эффективную работу системы ЧАПЧ с ЧДВОС, на рис. 7 приведены эпюры управляющего напряжения при работе системы ЧАПЧ в шумах.
Рис.7. Работа ЧАПЧ с ДВОС в шумах
Из этого рисунка видно, что при прочих равных условиях, за счет обратных связей в ЧДВОС, полоса захвата и полоса удержания увеличиваются, однако проведение точных метрологических измерений при использовании пакета Місгосар невозможно. Можно показать только сравнительные характеристики при прочих равных условиях. В нашем случае изменялась только глубина обратных связей в ЧДВОС, т.е. изменялась только характеристика дискриминатора.
Таким образом, показано, что одним из способов уменьшения остаточной частотной расстройки гетеродина при работе системы ЧАПЧ в условиях воздействия шумов является использование в ее кольце дискриминатора с обратными связями. Результаты проведенных исследований и математического моделирования в среде Місгосар подтверждают возможность физической реализации, а также целесообразность использования ЧДВОС в системах АПЧ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Клэпер Дж., Фрэнкл Дж. Системы фазовой и частотной автоподстройки частоты: Пер. с англ. / Под ред. А. Ф. Фомина. М.: Энергия. 1977.
2. Плаксиенко В. С. Уровневая статистическая обработка дискретных сигналов. М.: Учебно-методический и издательский центр «Учебная литература». 2006.
3. Плаксиенко В. С., Кравченко Д. А. Моделирование и исследование дискриминаторов с обратными связями // Мат. Междунар. научн. конф. «Методы и алгоритмы эффективных решений» (МАПР-09).
4. Плаксиенко В. С., Бондарь П. А. Балансные дискриминаторы с управляемой характеристикой // Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника. 2009. № 3. С. 12 - 14.
Поступила 12.03.2010 г.
