Sb95258

перехода с одной частоты на другую уровень внеполосных составляющих спектра зачастую оказывается недопустимо большим.

Дальнейшее снижение уровня внеполосных спектральных составляющих достигается ступенчатым переходом с одной частоты на другую. Восьми ступеней достаточно, чтобы уровень внеполосных составляющих удовлетворял международным нормам. Включение ФНЧ, сглаживающего фронты напряжения, поступающего с выхода ИФД, также позволяет снизить уровень внеполосных составляющих. Однако при этом, как правило, увеличивается время смены рабочих частот синтезатора.

При фазовом телеграфировании в простейшем случае в соответствии с сигналом манипуляции фаза колебаний на выходе ССЧ изменяется на . Для этого достаточно в выходную цепь синтезатора включить фазовый манипулятор. При этом изменение фазы происходит скачком, в результате чего уровень внеполосных спектральных составляющих значительно превышает допустимый. Для его снижения необходимо изменять фазу плавно.

Устройство, плавно изменяющее фазу выходного колебания, может быть реализовано на основе ГУН, охваченного кольцом ФАП с ДПКД. Для получения при манипуляции линейного изменения начальной фазы за время фронта фр и время спада сп модулирующих импульсов надо так управлять

зация колебаний ГУН с колебаниями опорного генератора осуществляется в кольце ФАП с точностью до малых отклонений фазы, ее изменение, достигну-

тое на интервалах фр и сп , после короткого переходного процесса будет

устранено и начальная фаза вновь установится такой же, как и до начала формирования фронта или спада.

Преодолеть отмеченное затруднение можно, изменяя фазу выходного колебания ГУН на интервалах фр не на , а на 2 с последующим деле-

нием частоты сигнала на выходе ССЧ на 2 [5]. В результате будет сформировано колебание с частотой вдвое ниже частоты ГУН и с изменением фазы на интервалах фр на . Фазу колебания во время фронта и спада, как и ранее, можно менять соответствующей установкой коэффициента деления ДПКД на время фр

31

Описание лабораторного стенда

Учебно-лабораторный стенд «Цифровой синтезатор частоты с ФАП»

предназначен для изучения принципа работы и основных характеристик цифрового синтезатора частоты с фазовой автоподстройкой и методов формирования сигналов с угловой модуляцией и манипуляцией в тракте ССЧ.

Функциональная схема лабораторного стенда приведена на лицевой панели. Лабораторный стенд содержит:

–ОКГ, работающий на частоте fт = 1000 кГц;

–делитель частоты с коэффициентом деления NД1 1000 ;

–два импульсно-фазовых детектора: ИФД1 – детектор типа «выборка – запоминание» и ИФД2 – фазовый детектор на RS-триггере. Выбор ИФД производится кнопкой «ТИП ИФД»;

–ФНЧ, представляющий собой RC-фильтр первого порядка. Полоса пропускания ФНЧ может принимать два дискретных значения 50 Гц и 1 кГц, устанавливаемые кнопкой «ПОЛОСА ФНЧ»;

–ГУН, частота выходных колебаний которого может принимать значения в интервале 1900…2600 кГц. Управление частотой ГУН осуществляется подачей на варикап, включенный в колебательную систему ГУН, управляющего напряжения Eупр . Этот же варикап используется для осуществления

частотной модуляции с помощью встроенного генератора низкой частоты;

–делитель частоты на два;

–фазовый манипулятор, на вход которого подается модулирующая последовательность импульсов с частотой следования 31.25 Гц;

–ДПКД, коэффициент деления которого NД2 можно произвольно из-

менять в пределах 2000…2510 с шагом 2 кнопками в поле «УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ». Изменение коэффициента деления ДПКД осуществляется с помощью дешифратора устройства управления.

Синтезатор позволяет сформировать дискретную сетку частот в диапазоне 1000…1255 кГц с шагом сетки 1 кГц.

Помимо исследуемого ССЧ в состав лабораторного стенда включены:

– генератор модулирующего синусоидального сигнала, обеспечивающий дискретное изменение частоты в диапазонах 10…800 Гц в режиме работы «НЕМОД.» и 50 Гц…32 кГц в режиме «ЧМ» и плавную регулировку амплитуды. Кнопка «ЧАСТОТА» и потенциометр «УРОВЕНЬ» находятся в поле «ГНЧ». При частотной телеграфии этот генератор обеспечивает девиацию

32

частоты 2 кГц. Длительности фронта ф и спада с при фазовой телегра-

фии с линейным изменением начальной фазы на фронтах импульсов равны и составляют 1 мс;

узкополосный измеритель девиации частоты, обеспечивающий измерение девиации на частоте 1100 кГц;

– устройство управления синтезатором, позволяющее изменять частоту генерируемых колебаний «УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ»; замыкать и размыкать кольцо ФАП (кнопка «ФАП ВКЛ.»); выбирать тип ИФД (кнопка «ТИП ИФД»); изменять полосу пропускания ФНЧ (кнопка «ПОЛОСА ФНЧ»); выбирать режим работы синтезатора (кнопка «РОД РАБОТЫ»): немодулированные колебания «НЕМОД.», частотная модуляция «ЧМ», двухуровневая частотная телеграфия «ЧТ1», многоуровневая частотная телеграфия «ЧТ2», двухуровневая фазовая телеграфия «ФТ1» и фазовая телеграфия с линейным нарастанием и спадом начальной фазы «ФТ2»; плавно из-

менять коэффициент передачи ИФД (потенциометр «Кф.д»). Все переключения сопровождаются загоранием соответствующих светодиодов;

– универсальный мультиметр, предназначенный для измерения частоты формируемых колебаний, амплитуды модулирующего сигнала низкой частоты, постоянной составляющей напряжения на выходе ИФД, коэффициента передачи ИФД ( Kф.д ) в условных единицах и девиации частоты в кило-

герцах. Измерение частоты генерируемых колебаний может производиться при различных временах усреднения (накопления Tн ), составляющих

0.001, 0.01, 0.1, 1 и 10 с.

Измеренные мультиметром данные выводятся на жидкокристаллический дисплей, расположенный на лицевой панели макета. «Перелистывание» страниц вывода дисплея осуществляется кнопками «<<» и «>>», а запуск частотомера – кнопкой «Т».

В лабораторном стенде предусмотрена возможность подключения внешнего осциллографа к выходам ССЧ «Вых 1», ИФД «Вых 2» и УПС «Вых 3». Для наблюдения «тонкой структуры» спектра выходного сигнала ССЧ при частотной и фазовой манипуляциях в состав стенда введен преобразователь частоты, переносящий спектр выходного сигнала ССЧ в область нижних частот. Высокочастотный разъем «Спектр» для подключения анализатора спектра размещен на задней стенке стенда.

33

В левом верхнем углу лицевой панели расположен выключатель «СЕТЬ», обеспечивающий включение и выключение стенда.

Часть 1. Исследование цифрового синтезатора с ФАП

Цели работы:

1.Изучение принципа работы цифрового синтезатора с ФАП.

2.Исследование влияния параметров элементов цифрового синтезатора

сФАП на основные характеристики синтезатора.

3.Исследование нестабильности частоты свободного ГУН и генератора, охваченного кольцом фазовой автоподстройки.

Программа выполнения работы

1.Включить стенд и осциллограф, подключенный к выходу импульснофазового детектора (ИФД), для прогрева. Все потенциометры установить в крайнее левое положение. Листая страницы жидкокристаллического дисплея, ознакомиться с их содержанием.

2.Ознакомиться с работой синтезатора. Для этого, пользуясь клавиатурой управления, в соответствии с описанием лабораторного стенда включить ФАП и ИФД1, кнопками в поле «УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ» установить частоту выходных колебаний 1050 кГц и среднее значение Kф. д . Полосу

пропускания ФНЧ выбрать равной 1 кГц, род работы – немодулированные колебания. Изменяя частоту выходного сигнала через 10 кГц до 1250 кГц, наблюдать с помощью осциллографа изменение осциллограммы напряжения на выходе ИФД. Повторить эксперимент, подключив ИФД2.

3. Снять настроечную характеристику ГУН (статическую модуляционную характеристику СМХ) ССЧ. Для этого необходимо установить переключатель «РОД РАБОТЫ» в положение «НЕМОД.», «ФАП» – выкл., остальные переключатели – в произвольных состояниях. Изменяя управляющее на-

пряжение на варикапах ручкой «Кф.д» от минимального до максимального значений, снять зависимость fвых f Eупр , считая Eупр Kф. д .

4. Измерить полосу удержания кольца ФАП. Для этого при максимальном Kф. д включить ИФД1, полосу пропускания ФНЧ – 1 кГц, замкнуть коль-

цо ФАП, набрать в поле «УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ» частоту сигнала на выходе синтезатора равной 1000 кГц и, плавно уменьшая Kф. д , добиться воз-

никновения синхронизации, что может быть зарегистрировано по пропада-

34

нию переменной составляющей в осциллограмме напряжения на выходе ИФД1, либо по показаниям частотомера. При этом минимальное значение частоты выходных колебаний в полосе удержания fу min окажется равным

1000 кГц. Далее, плавно изменяя коэффициент деления ДПКД в сторону увеличения частоты, добиться срыва синхронизации и отметить верхнее значение рабочей частоты в полосе синхронизации – fу max . Вычислить

fу fу max fу min . Повторить эксперимент при бóльших значениях Kф. д , последовательно устанавливая частоту 1001, 1002, 1003 кГц. Построить зависимость f у f (Kф.д ) .

5. Исследовать кратковременную и средневременную нестабильности частоты синтезатора при замкнутой и разомкнутой петле ФАП. Для этого установить полосу пропускания ФНЧ равной 1 кГц, режим работы синтезатора «НЕМОД.», «ТИП ИФД» – 1. Исследование проводится при частоте выходных колебаний 1100 кГц. Установку частоты в режиме с разомкнутой петлей

ФАП осуществлять потенциометром «Кф.д», с замкнутой петлей – кнопками

«УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ» и потенциометром «Кф.д» для синхронизации петли ФАП.

Снять и построить в логарифмическом масштабе зависимости кратковременной и средневременной нестабильностей частоты в функции от времени усреднения для синтезатора при замкнутой и разомкнутой петле ФАП. Измерения кратковременной и средневременной нестабильностей частоты проводятся с помощью частотомера в режиме измерения частоты при значениях времени усреднения 0.001, 0.01, 0.1, 1 и 10 с.

Для каждого времени усреднения записать 10 значений частоты f (ti ) ,

6. Исследовать процесс установления частоты в синтезаторе с ФАП. Пользуясь клавиатурой на лицевой панели, замкнуть петлю ФАП, включить ИФД1 и в режиме двухуровневой частотной телеграфии (переключатель «РОД РАБОТЫ» в положении «ЧТ1») установить среднее значение Kф. д .

Наблюдать на экране осциллографа осциллограмму сигнала на выходе ИФД,

35

отражающую вид переходного процесса. Зарисовать различные виды переходных процессов, изменяя в максимальных пределах коэффициент передачи ИФД ( Kф. д ), полосу пропускания ФНЧ и текущее значение частоты выход-

ного сигнала.

7. Исследовать фильтрующие свойства кольца ФАП. Для этого установить частоту выходного сигнала ССЧ равной 1100 кГц, включить режим работы «НЕМОД.», а Kф. д = Kф. д max . Полоса пропускания ФНЧ – 1 кГц. Ручкой «УРОВЕНЬ» в поле «ГНЧ» установить амплитуду модулирующего сигнала Uмод = 0.25 В, снять и построить зависимость девиации частотыfвых от частоты модулирующего сигнала F1. Обратить внимание на то, что

в режиме работы «НЕМОД.» частота модулирующего сигнала изменяется в диапазоне 10…800 Гц. В табл. 3.1 указаны значения частоты F1, соответствующие надписям рядом со светодиодами (F) в поле «ГУН», «ЧАСТОТА».

Часть 2. Исследование методов формирования сигналов с угловой модуляцией и манипуляцией в тракте синтезатора

Цели работы:

1. Исследование особенностей осуществления частотной модуляции в ССЧ с фазовой автоподстройкой частоты.

2. Исследование методов формирования сигналов с угловой манипуляцией в тракте синтезатора.

Программа выполнения работы

1.Включить стенд и осциллограф, подключенный к выходу импульснофазового детектора (ИФД), для прогрева.

2.Исследовать амплитудную динамическую модуляционную характери-

стику (АДМХ) ГУН. Для этого установить: переключатель «РОД РАБОТЫ» в положение «ЧМ», кнопку «ФАП» – выкл., «ПОЛОСА ФНЧ» – 1 кГц, частоту модулирующего сигнала – Fмод 2 кГц, напряжение модуляции –

Uмод = 0. Изменяя управляющее напряжение на варикапе Eупр ручкой Kф. д ,

36

установить частоту выходных колебаний fвых 1100 кГц. После этого снять зависимость девиации частоты fвых f Uмод . При каждом значении Uмод

записывать усредненное значение частоты выходного сигнала ССЧ – fвых (время усреднения 1000 мс).

3. Исследовать частотную динамическую модуляционную характеристику (ЧДМХ) ГУН. Для этого установить: переключатель «РОД РАБОТЫ» в положение «ЧМ», «ФАП» – выкл., «ПОЛОСА ФНЧ» – 1 кГц, напряжение модуляции – Uмод = 0. Изменяя управляющее напряжение на варикапах руч-

кой Kф. д установить частоту выходных колебаний fвых 1100 кГц и снять зависимость fвых f Fмод , изменяя частоту модуляции Fмод = F в макси-

мально возможных пределах при Uмод 0.25 В.

4. Исследовать АДМХ ГУН для замкнутой петли ФАПЧ. Для этого установить: переключатель «РОД РАБОТЫ» в положение «ЧМ», «ФАП» – вкл., «ТИП ИФД» – 1, «ПОЛОСА ФНЧ» – 1 кГц, частота модулирующего сигнала – Fмод 2 кГц, напряжение модуляции – Uмод = 0. Кнопками «УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ» на светодиодном индикаторе установить частоту 1100 кГц. Увеличивая коэффициент усиления фазового детектора Kф. д от

минимально возможного, по показаниям встроенного мультиметра добиться значения частоты выходных колебаний fвых 1100 кГц. После этого увеличить Kф. д еще на единицу и снять зависимость fвых f Uмод , одновре-

менно записывая значения средней частоты fвых (время усреднения 1000 мс) при всех значениях Uмод .

5. Исследовать ЧДМХ ГУН для замкнутой петли ФАПЧ.

5.1. Установить переключатель «РОД РАБОТЫ» в положение «ЧМ»,

«ФАП» – вкл., «ТИП ИФД» – 1, «ПОЛОСА ФНЧ» – 1 кГц, напряжение мо-

дуляции – Uмод = 0. Кнопками «УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ» на светодиодном индикаторе установить частоту 1100 кГц. Увеличивая коэффициент усиления фазового детектора Kф. д от минимально возможного, добиться значе-

ния частоты выходных колебаний fвых 1100 кГц (по показаниям встроенного мультиметра). После этого увеличить Kф. д еще на 1 и снять зависимость fвых f Fмод при Uмод = 0.25 В.

37

5.2. Повторить исследование по п. 5.1 для случая «ПОЛОСА ФНЧ» –

50Гц.

6.Исследовать влияния коэффициента усиления замкнутой петли ФАП на девиацию частоты выходного колебания ГУН.

6.1.Установить режим, аналогичный п. 5.1, частоту модулирующего

колебания – равной 50 Гц, а полосу пропускания ФНЧ – 1 кГц. Снять зависимость fвых f Kфд для Uмод = 0.25 В, коэффициент усиления фазового

детектора Kф. д при этом следует увеличивать от минимального значения,

при котором петля ФАП входит в режим синхронизма, до максимально возможного.

6.2. Повторить исследование по п. 6.1 для случая «ПОЛОСА ФНЧ» – 50 Гц, частота модулирующего колебания – 500 Гц.

Дополнительное исследование

Подключить к выходу ССЧ осциллограф и анализатор спектра. Пользуясь клавиатурой управления, замкнуть петлю ФАП, включить ИФД1, полосу пропускания ФНЧ выбрать максимальной, Uмод = 0. Установить частоту вы-

ходных колебаний ССЧ равной 1030 кГц и, увеличивая Kф. д от минималь-

ного значения, добиться перехода ССЧ в режим синхронизации. Далее включить режим работы «ЧТ1» (двухуровневая частотная телеграфия) и, наблюдая осциллограмму напряжения на выходе ИФД, выбрать такое значение Kф. д , чтобы при двухуровневой частотной манипуляции переход с одной

частоты на другую осуществлялся за один период частоты сравнения.

1.Зарисовать осциллограмму сигнала на выходе ИФД и спектрограмму напряжения на выходе ССЧ. Повторить эксперимент, установив в синтезаторе режим многоуровневой частотной телеграфии «ЧТ2». Сравнить и объяснить полученные результаты.

2.Пользуясь клавиатурой на лицевой панели стенда, установить режим двухуровневой фазовой телеграфии «ФТ1». Зарисовать осциллограмму сигнала на выходе ИФД и спектрограмму напряжения на выходе ССЧ. Повторить эксперимент, установив в синтезаторе режим фазовой телеграфии с линейным нарастанием и спадом начальной фазы колебания «ФТ2». Сравнить

иобъяснить полученные результаты.

Содержание отчета

1.Таблицы с данными экспериментов и расчетов.

2.Графики экспериментальных и расчетных зависимостей.

38

3.Осциллограммы и спектрограммы сигналов.

4.Краткие выводы по работе.

Контрольные вопросы и задания

1. Объясните принцип работы цифрового синтезатора с ФАП. 2. В чем заключаются фильтрующие свойства кольца ФАП?

3. Характеристики каких элементов, входящих в кольцо ФАП, определяют полосу удержания?

4. Приведите соотношения, определяющие коэффициенты передачи паразитного отклонения фазы, обусловленные отдельными блоками ССЧ, на его выход.

5. Каким образом можно сформировать сигнал с частотной (фазовой) модуляцией в тракте цифрового ССЧ с ФАП?

6. Каким неравенством должна быть связана граничная частота ФНЧ с полосой модулирующего сигнала, если в ССЧ формируется сигнал с частотной модуляцией?

7. Каким образом в цифровом ССЧ с ФАП можно осуществить частотную (фазовую) телеграфию?

8.Объясните ход графиков, построенных по результатам проведенных исследований.

9.Объясните вид осциллограмм, полученных в процессе эксперимента по п. 6 первой части работы.

Список литературы

1.Соловьев А. А. Цифровые методы формирования радиосигналов: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2016.

2.Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1986.

3.Генерирование колебаний и формирование радиосигналов: учеб. пособие / под ред. В. Н. Кулешова и Н. Н. Удалова. М.: Изд. дом МЭИ, 2008.

4.Белов Л. А. Формирование стабильных частот и сигналов: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. М.: Изд. центр «Академия», 2005.

5. Шапиро Д. Н., Паин А. А. Основы теории синтеза частот. М.: Радио и связь, 1981.

39

Содержание

Лабораторная работа 1. Исследование стабильности частоты автогенераторов гармонических колебаний……………………………….……3

Лабораторная работа 2. Исследование пассивных цифровых синтезаторов частоты…………………………………………………………....12

Лабораторная работа 3. Исследование цифрового синтезатора частоты с ФАП………………………...…………………………………………25

Список литературы……………………………………………………………....39

Соловьев Анатолий Антонович

Современные методы формирования радиосигналов

Лабораторный практикум

Редактор Н. В. Лукина

______________________________________________________

Подписано в печать 05. 07. 2017. Формат 60×84 1/16 Бумага офсетная. Печать цифровая. Печ. л. 2,5.

Гарнитура «Times New Roman». Тираж 45 экз. Заказ 75.

________________________________________________________

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376. С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

40