7.5.3 Помехоустойчивость систем апч Действие внешних и внутренних возмущений на системы апч

В реальных условиях к системе АПЧ приложены различные возмущения: полезные и вредные. Часто одни и те же возмущения могут быть необходимыми для нормальной работы РПрУ в целом и в то же время мешать процессам автоматической подстройки частоты гетеродина (разумеется, возможна и обратная ситуация).

Так, при приеме ЧМ сигналов информационные изменения f_C(t) представляют собой помехи для функционирования следящей АПЧ, которая не должна реагировать на них во избежание демодуляции колебаний. В то же время нежелательные отклонения средней частоты ЧМ сигнала (из-за эффекта Доплера или воздействия дестабилизирующих факторов), приводящие к расширению полосы пропускания приемника, для той же АПЧ полезны, либо их присутствие необходимо для осуществления рабочего процесса – коррекции частоты f_Г(t).

Возмущения могут быть детерминированными и случайными. Первые имеют дискретный частотный спектр (комбинационные составляющие, не отфильтрованный фон питания, изменение f_C(t) по определенному закону и др.), вторые – сплошной (частотные и фазовые шумы, преднамеренные изменения f_C(t) по псевдослучайному закону в линиях связи с «прыгающей» частотой и др.).

Реакция системы на те или иные возмущения определяется ФНЧ. Требования, которые предъявляются к характеристикам ФНЧ с этой точки зрения, обычно находятся во взаимном противоречии. Для пояснения вернемся к предыдущему примеру приема ЧМ сигналов. С одной стороны, ФНЧ должен быть инерционным для того, чтобы АПЧ не успевала отслеживать информационные вариации f_C(t). С другой стороны, инерционность ФНЧ не должна быть слишком большой, поскольку при этом могут не компенсироваться изменения средней частоты ЧМ колебаний. Решение задачи облегчается тем, что первый вид возмущений является процессом, значительно более быстрым, чем второй. Соответственно спектры их концентрируются в высокочастотной и низкочастотной областях.

Ниже рассматривается воздействие детерминированных возмущений. Предположим, что АПЧ находится в стационарном режиме, и возможные отклонения от него не изменяют линейных приближений при описании статических характеристик ЧД, ФД и УЭ. При этом воспользуемся операторными уравнениями (7.17) и (7.20) для ЧАПЧ и ФАПЧ:

f_Г(p) = К₁(p)f_Г.С(p) + К₂(p)[f_С(p) + f_Д(p)]; (7.21)

f_Г(p) = К₃(p)f_Г.С(p) + К₄(p)[f_С(p) + f_ОП(p)], (7.22)

где К₁(p) = 1/ [1 + S_ЧДS_УЭ К_Ф(p)]; (7.23)

К₂(p) = S_ЧДS_УЭ К_Ф(p) / [1 + S_ЧДS_УЭ) К_Ф(p)]; (7.24)

К₃(p) = p / [p + 2 S_ФДS_УЭ К_Ф(p)]; (7.25)

К₄(p) =2 S_ФДS_УЭ К_Ф(p)/ [p + 2 S_ФДS_УЭ К_Ф(p)]; (7.26)

f_Г(p) — изображение функции; f_Г(t) —отклонения частоты при замкнутой АПЧ под действием внутренних и внешних возмущений.

Из (7.21) и (7.22) следует, что изменения частот f_C(t), f_Д(t) и f_ОП(t) одинаково влияют на f_Г(t), и поэтому соответствующие возмущения можно считать внешними, так как всегда могут быть приведены к входу системы. В то же время возмущения, приложенные к выходному звену АПЧ – гетеродину, относятся к внутренним возмущениям. Операторные коэффициенты (7.23)…(7.26) определяют «вес» слагаемых в правых частях (7.21) и (7.22), т.е. характеризуют реакцию ЧАПЧ и ФАПЧ на внутренние и внешние воздействия. Как видно, эта реакция неодинакова. Так, если f_Г.С(p) – внутренняя помеха, то для максимального ослабления ее влияния на частоту гетеродина необходимо, чтобы S_ЧДS_УЭ и S_ФДS_УЭ были как можно больше, ибо при их безграничном увеличении К₁(р)  0 и К₃(р)  0. Наоборот, при внешней помехе желательно, чтобы указанные произведения были минимальными, так как при их предельном уменьшении К₂(р)  0 и К₄(р)  0.

Амплитудно-частотные характеристики ЧАПЧ и ФАПЧ по отношению к рассматриваемым возмущениям также различны. Для уточнения этого вопроса допустим, что частоты f_C(t), f_Г(t) и f_Д(t) [или f_ОП(t)] изменяются по гармоническому закону с круговой частотой . Затем, совершив формальную замену р на j, найдем зависимость модулей коэффициентов передачи от . Результаты расчетов по (7.23) и (7.24) при S_ЧДS_УЭ = 10 для ЧАПЧ первого порядка (ФНЧ – однозвенная RC-цепь с постоянной времени _RC = RC) в нормализованном виде – на рис. 7.15.

Рис. 7.15 – Характеристики АПЧ

Кривая 1 соответствует К1(RC), кривая 2 — К2(RC). Таким образом, по отношению к внутренним возмущениям система ведет себя как ФВЧ, а по отношению к внешним – как ФНЧ. Полосы пропускания (ПАПЧ) и задерживания ЧАПЧ при заданном значении SЧДSУЭ зависят только от инерционности собственно ФНЧ, т. е. от его полосы пропускания ПФНЧ.

При отсчете П_АПЧ и П_ФНЧ по уровню 0,7 с учетом обозначений на рис. 7.15

П_АПЧ = П'_АПЧП_ФНЧ, где П'_АПЧ = S_ЧДS_УЭ.

Для системы ФАПЧ второго порядка (с таким же ФНЧ) в качественном отношении получаются аналогичные результаты, но количественные показатели ФАПЧ и ЧАПЧ различаются между собой.

Итак, если выбраны статические характеристики ЧД, ФД и УЭ, то фильтрующая способность АПЧ полностью определяется типом и параметрами ФНЧ. Однако требования, предъявляемые с этой точки зрения к его АЧХ, часто противоречивы. Так, для подавления внешних помех следует уменьшать П_ФНЧ, а для слежения за полезным внешним возмущением необходимо расширение указанной полосы. В системах стабилизации частоты для эффективного подавления внутренних помех полоса задерживания АПЧ как эквивалентного ФВЧ (а следовательно, и П_ФНЧ) должна быть максимальной, по при этом возрастает вероятность проникновения внешних помех от СЧ к УЭ. Еще раз подчеркнем, что при выборе инерционности ФНЧ следует помимо только что отмеченных учитывать еще ряд факторов: быстродействие, устойчивость, полосу захвата (последнее только для ФАПЧ).

Анализ воздействия случайных помех на АПЧ в принципе проводится в той же последовательности, что и при детерминированных возмущениях. Однако дифференциальные уравнения в этом случае значительно усложняются, так как в них появляются члены, учитывающие статистический характер воздействий.

Последние при больших отношениях С/Ш существенно влияют на показатели АПЧ: приводят к возрастанию ошибок, перескокам фазы в стационарном режиме ФАПЧ и т. п.