3 Автоматическая подстройка частоты

В правильно настроенном приемнике под действием различных дестабилизирующих факторов прием нужной станция может нарушиться. Причиной может быть отклонение промежуточной частоты от номинального значения из-за нестабильности несущей частоты передатчика и частоты гетеродина приемника, появления эффекта Доплера при подвижном передатчике или приемнике.Для поддержания правильной настройки приемника в процессе его работы используется система автоматической подстройкичастоты(АПЧ).

Точность настройки супергетеродинного приемника на промежуточную частоту может быть обеспечена либо поддержанием номинальной промежуточной частоты, либо стабилизацией частой гетеродина. Второй способ возможен только в том случае, если несущая частота передатчика имеет гарантированную высокуюстабильность. Точная настройка приемника при поддержании номинальной промежуточной частоты имеет более широкиевозможности и применяется чаще.

Очевидно, что для автоматического поддержания номинальной промежуточной частоты приемника необходимо ее измерять, вы­рабатывать при отклонениях управляющее воздействие на гетеро­дин с целью установления исходной промежуточной частоты.

Структурная схема АПЧ представлена на рисунке 3.1. При изме­нении промежуточной частоты измерительный элемент (ИЭ) изме­ряет это отклонение и через фильтр (Ф) воздействует на устрой­ство управления (УЭ) частотой гетеродина (УЧГ), которое изме­няет частоту гетеродина, устанавливая исходное значение проме­жуточной частоты.

По принципу работы измерительного элемента АПЧ делятся на системы частотной автоподстройки (ЧАП) и системы фазовойавтоподстройки (ФАП). В системе ЧАП измерительный элемент не­посредственно измеряет промежу­точную частоту и вырабатыва­ет управляющее воздействие при ее отклонении от номинальногозначения.

Рисунок 3.1 –Структурная схема АПЧ

В системе ФАП используется интегральная связь между изменениями фазы и частоты колебания:

;

где —изменение фазы колебания, a соответствующее изменение частоты. Управляющий элемент (УЭ) в системе ФАП вырабатывает управляющее воздействие при отклонении фазы ко­лебаний, а в системе ЧАП — при изменении частоты.

По виду УЭ различают АПЧ с электронной и с электромехани­ческой перестройкой частоты. В системах АПЧ с электронной пе­рестройкой управление частотой гетеродина осуществляется элек­тронными способами, например изменением регулирующего напря­жения, подаваемого на варикап, включенный в частотно-задающую цепь гетеродина. В системах АПЧ с электромеханической перест­ройкой управление частотой осуществляется с помощью электро­механического привода, например электродвигателя. Электронные системы АПЧ обладают большим быстродействием в сравнитель­но малом частотном диапазоне подстройки. Электромеханические системы позволяют получить большой частотный диапазон под­стройки при сравнительно малом быстродействии.

В некоторых случаях, например в приемниках многоканальных систем связи, сочетают электронное и электромеханическое уп­равление частотой, что позволяет расширить возможности систе­мыАПЧ.

Управляющие элементы характеризуются крутизной зависимо­сти приращения частоты гетеродина _г.апч от управляющего на­пряженияU_упр

S_упр=д _г.апч/дU_упрпри U_упр= 0.

Для обеспечения линейности и устойчивости работы системы АПЧ необходимо, чтобы крутизна управления в пределах рабоче­го участка была постоянна.

В зависимости от режима подстройки частоты гетеродина сис­темы АПЧ разделяют на поисковые и беспоисковые. Поисковые АПЧ кроме обычных функций обеспечивают перестройку приемни­ка в заданном диапазоне частот с целью поиска сигналов. Беспо­исковые АПЧ реализуют только режим автоподстройки частоты.

Влияние высокочастотных составляющих выходного напряже­ния измерительного элемента на работу УЭ и соответственно на работу гетеродина устраняется с помощью фильтра. Так же как и в системах АРУ, это обычно однозвенные, реже многозвенные Шив цепочки. При анализе систем АПЧ считают, что фильтр полностьюопределяет их инерционные свойства, так как все остальные эле­менты структурной схемы АПЧ значительно менее инерционные по сравнению с фильтром. Обычно полоса пропускания фильтра, ограничена десятками — сотнями герц. В случае приема ЧМ-сигналов быстродействие системы АПЧ должно быть таким, чтобы исключалась возможность демодуляции сигнала. Для этого постоянная времени фильтра должна быть больше максимального периода модулирующего напряжения.

Детектор системы АПЧ совместно с фильтром иногда называют выпрямителем АПЧ.

Остаточная ошибка, а в рассматриваемом случае это остаточная расстройка частоты, в системе АПЧ зависит от коэффициента петлевого усиления в цепи регулирования. Поэтому системы АПЧ, как правило, содержат усилитель, включенный между выпрямителем АПЧ и УЭ. Так как напряжение на выходе выпрямителя АПЧ является постоянным или медленно изменяющимся, то для его усиления используется усилитель постоянного тока. Такой усилитель может оказаться необходимым также вследствие недостаточной чувствительности УЭ.

Система АПЧ в целом характеризуется следующими параметрами: остаточной расстройкой, коэффициентом автоподстройки, полосой удержания и полосой захвата.

Остаточнаярасстройка— это допустимое отклонение частоты от номинального значения.

Коэффициент автоподстройки— отношение расстройки частоты ∆fпри разомкнутой системы АПЧ к остаточной расстройке∆f_ост:

К_апч=∆f/∆f_ост.

Полоса удержания— полоса промежуточных частот, в которой система АПЧ удерживает преобразованную частоту близкой к пра­вильному значению.

Полоса захвата— полоса частот, в пределах которой проис­ходит захват частоты принимаемой станции системой АПЧ, после чего настройка приемника сохраняется при отклонениях про­межуточной частоты в пределах полосы удержания.

В зависимости от выбора рабочей точки статистическая ха­рактеристика ЧД системы АПЧ может иметь вид, изображенный на рисунке3.2,а либо сплошной, либо штриховой линией.

При изменении промежуточной частоты на ∆f'_пр на выходе ЧД напряжение изменится на ∆U'_Ω. Воздействуя после усиления на УЭ, это напряжение изменяет частоту гетеродина таким образом, чтобы свести появившуюся расстройку промежуточной частоты∆f'_пр к остаточной расстройке.

а)

б)

Рисунок 3.2 – Статические характеристики частотного детектора (а) и управляющего элемента (б) системы АПЧ

Рисунок 3.3 – Структурная схема ФАП с устройством поиска принимаемого сигнала

Другими словами, при увеличении промежуточной частоты уменьшает ее, а при уменьшении увели­чивает. Отсюда следует, что знаки крутизны статистических ха­рактеристик ЧД и УЭ должны быть взаимно противоположными. При положительной крутизне статической характеристики ЧД (штриховая линия на рисунке 3.2,а) крутизна статической харак­теристики УЭ должна быть отрицательной (сплошная линия на рисунке 3.2,б), и наоборот. В противном случае расстройка будет возрастать, т. е. система будет неустойчивой. Чем больше крути­зна статических характеристик ЧД и УЭ тем больше коэффи­циент автоподстройки: К_апч=∆f/∆f_ост=1+ .Как следует из изложенного ранее, для обеспечения устойчивости необходимо, чтобы выполнялось условие < 0.

В системах ФАП в качестве измерительного элемента исполь­зуется ФД, отличительной особенностью которого является обя­зательное наличие опорного напряжения. Если в системе ФАП промежуточная частота равна опорной, то разность фаз между напряжениями промежуточной частоты и опорным будет посто­янной, и на выходе ФД возникает постоянное напряжение, про­порциональное постоянной разности фаз. Если промежуточная' частота будет отличаться от частоты опорного напряжения, то разность фаз между напряжениями промежуточной частоты и опорным будет изменяться во времени с частотой, равной разно­сти этих частот. С такой же частотой будет изменяться в этом случае и напряжение на выходе ФД: Ω_фд=|f_пр—f_oп|.

Установившийся режим в замкнутой системе ФАП возможен только в том случае, если выходное напряжение ФД постоянно (или равно нулю), а это имеет место лишь в том случае, когда промежуточная частота точно равна опорной. Так в системе ФАП поддерживается постоянная промежуточная частота, совпадаю­щая с высокостабильной опорной частотой. Колебания промежу­точной частоты могут отличаться от колебаний опорной частоты амплитудами и фазами. Недостатком ФАП является сравнитель­наяузкополосность. Поэтому в некоторых случаях отклонение промежуточной частоты может оказаться больше полосы захвата системы ФАП, и для точной настройки приемника система ФАП дополняется устройством поиска. Структурная схема системы ФАП с устройством поиска на принимаемый сигнал изображена на рисунке3.3.

Если отклонение промежуточной частоты больше полосы за­хвата ФАП, то напряжение сигнала на ее выходе, а следователь­но, и на выходе ФД резко падает. При отсутствии сигнала на вы­ходе ФД устройство управления поиском (УУП) включает гене­ратор поиска (ГП), который через УЭ перестраивает гетеродин до тех пор, пока приемник не настроится на принимаемый сигнал, т.е. пока снова не появится напряжение сигнала на выходе УПЧ и на выходе ФД. Устройство управления поиском при этом выклю­чает ГП, и система далее работают как обычная система ФАП. .(Здесь П— преобразователь частоты.)