5. Системы автоматической подстройки частоты

Нестабильности несущей частоты передатчика и частоты гетеродина приемника являются причиной дополнительного расширения полосы пропускания радиоприемного устройства. Последнее приводит к снижению чувствительности приемника, особенно в диапазоне СВЧ, и ухудшению его избирательности. Применение систем автоматической подстройки частоты (АПЧ) позволяет в процессе приема сигналов поддерживать требуемое постоянство промежуточной частоты на выходе преобразователя и тем самым компенсировать случайные колебания частот передатчика и гетеродина, обусловленные их нестабильностью. Таким образом, одним из основных назначений системы АПЧ в радиоприемнике является обеспечение устойчивого приема сигналов при изменении частот передатчика и гетеродина, происходящих под действием различных дестабилизирующих факторов, без существенного увеличения полосы пропускания радиоприемного устройства.

Целесообразность применения системы АПЧ можно оценить с помощью коэффициента расширения полосы пропускания приемника. Величина его не должна превышать некоторого допустимого значения, определяемого предельно возможной полосой пропускания приемника, при которой реализуется требуемая его чувствительность. Если величина этой полосы равна то допустимое значение коэффициента расширения будет . Очевидно, применение системы АПЧ является целесообразным, если > .

Развитие когерентных методов радиоприема, реализация которых возможна при наличии специального гетеродина, синхронного с принимаемым сигналом, а также применение радиоприемных устройств с весьма узкими полосами пропускания, достигающими единиц герц, потребовало создания систем АПЧ весьма высокой точности. Такие системы, обеспечивающие подстройку частоты с точностью до фазы, используются в схемах синхронизации специальных гетеродинов, а также в узкополосных фильтрах, способных автоматически перестраиваться при изменении частоты сигнала.

В самом общем виде принцип действия существующих систем АПЧ основан на автоматическом измерении отклонения частоты управляемого генератора от некоторого ее номинального (или эталонного) значения и подстройке этого генератора таким образом, чтобы указанное отклонение частоты не превышало некоторой заданной величины.

Эффективность работы системы АПЧ или ее точность оценивается отношением величины начальной расстройки (ошибки) управляемого генератора относительно эталонного значения частоты, измеренной при выключенной системе АПЧ, к остаточному значению этой расстройки обусловленному действием системы АПЧ. Это отношение принято называть коэффициентом автоподстройки:

(114)

Системы АПЧ, у которых остаточная ошибка остается неравной нулю, называют статическими следящими системами по частоте. Если же подстройка обеспечивается с точностью до фазы, т. е. с нулевой ошибкой по частоте, то такая система является астатической.

Значение коэффициента автоподстройки в статических системах АПЧ обычно колеблется в пределах 30-50. В некоторых специальных устройствах высокой точности путем усложнения схемы удается достигнуть величины его в несколько сотен.

Любая система АПЧ помимо управляемого по частоте генератора должна содержать: эталон частоты; измерительный элемент, определяющий отклонение частоты генератора от эталонного ее значения, и управитель, обеспечивающий необходимое изменение частоты управляемого генератора. В зависимости от предъявляемых требований системы АПЧ могут быть дополнены усилителями, фильтрами и др. Перечисленные элементы при соответствующем включении образуют замкнутую систему автоматического регулирования, динамические свойства которой будут определяться совокупностью частотных и усилительных свойств этих элементов.

Необходимая точность настройки супергетеродинного приемника на заданную частоту может поддерживаться либо путем сохранения постоянства промежуточной частоты, на которой осуществляется основное усиление, либо путем непосредственной стабилизации частоты гетеродина. В соответствии с этим системы АПЧ радиоприемных устройств разделяются на две большие группы: системы АПЧ, работающие по принципу стабилизации промежуточной частоты приемника (рис. 55), и системы АПЧ, работающие по принципу стабилизации частоты гетеродина (рис. 56).

В первом случае усиленное напряжение промежуточной частоты подводится к измерительному элементу, с помощью которого ее отклонение от номинального значения преобразуется в постоянное (точнее, в медленно меняющееся) напряжение . Величина и знак этого напряжения пропорциональны соответственно величине и знаку разности .

Рис. 55

Рис. 56

После фильтрации высокочастотных составляющих напряжение подводится к усилителю постоянного тока. Необходимость усиления и параметры усилителя определяются требуемым законом регулирования, величиной коэффициента автоподстройки, а также свойствами управителя, на вход которого подается напряжение . Под воздействием напряжения с выхода усилителя схема управителя обеспечивает пропорциональное изменение частоты гетеродина таким образом, чтобы сохранить требуемое постоянство промежуточной частоты на выходе смесителя.

Рассмотренная система АПЧ представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования. Цепь обратной связи или цепь регулирования состоит из последовательно включенных измерительного элемента, фильтра, усилителя и управителя. Эталонное значение промежуточной частоты, относительно которого осуществляется измерение частоты после преобразования, определяется принципом работы и схемой измерительного элемента.

Характерной особенностью такой системы является то обстоятельство, что она, являясь стабилизатором промежуточной частоты, обеспечивает подстройку гетеродина как при уходах частоты передатчика, так и уходах частоты самого гетеродина. В силу этого, системы АПЧ подобного рода находят применение в тех случаях, когда стабильности частот как передатчика, так и гетеродина приемника являются относительно невысокими.

В отличие от системы стабилизации промежуточной частоты в системах АПЧ, обеспечивающих стабилизацию частоты гетеродина, цепью регулирования охватывается только схема гетеродина (рис. 56). Его выходное напряжение непосредственно подается на вход элемента, измеряющего отклонение частоты этого напряжения от номинального (эталонного) значения и формирующего соответствующее управляющее напряжение. Нетрудно видеть, что системы АПЧ подобного рода способны компенсировать уходы только частоты гетеродина. Такие системы автоподстройки находят применение при относительно высокой стабильности частоты передатчика, в особенности при приеме слабых флюктуирующих сигналов.

Существующие системы АПЧ помимо разделения на указанные две группы классифицируются также на основе тех или иных свойств элементов цепи регулирования.

По принципу работы измерительного элемента системы АПЧ разделяют на два основных вида: системы частотной автоподстройки (ЧАП) и системы фазовой автоподстройки (ФАПЧ). Такое разделение основано на существующей интегральной зависимости между фазой и частотой колебаний, что позволяет осуществлять сравнение частоты с эталонным ее значением либо путем непосредственного измерения отклонения частоты, либо путем измерения фазового сдвига между сравниваемыми колебаниями. В первом случае будет, очевидно, иметь место ЧАП, а во втором — ФАПЧ.

По принципу работы управителя различают системы АПЧ с электронной и электромеханической перестройкой частоты. В соответствии с таким разделением управление частотой гетеродина осуществляется либо с помощью электронных способов перестройки частоты, основной особенностью которых является достаточно большое быстродействие, либо путем перестройки колебательных резонансных систем генераторов с помощью электромеханических приводов, позволяющих получить достаточно большой частотный диапазон подстройки, но при весьма малом быстродействии.

В ряде радиоприемных устройств импульсных радиолокационных систем, а также многоканальных систем связи, осуществляется комбинированный метод управления частотой гетеродина, сочетающий электронный и электромеханический способы. Такое сочетание позволяет существенно расширить диапазон работы систем АПЧ.

В зависимости от режима подстройки частоты гетеродина системы АПЧ разделяют на поисковые и беспоисковые. Первые позволяют обеспечить автоматическую перестройку приемника в заданном диапазоне частот с целью поиска сигналов. После настройки на необходимую станцию такие системы переходят в режим слежения за частотой принимаемых сигналов, т. е. в режим автоподстройки. Закон перестройки частоты гетеродина в поисковой системе, а также переход из режима поиска в режим слежения и обратный переход в режим поиска при потере сигнала обеспечивается автоматически путем применения соответствующих схем управителей. Беспоисковые системы АПЧ обеспечивают только режим автоподстройки частоты, т. е. режим слежения.

В зависимости от характера работы измерительного элемента системы АПЧ разделяются на непрерывные и импульсные. Если измерение отклонений частоты обусловлено импульсной формой сигналов и носит дискретный характер, системы АПЧ, независимо от формы управляющего напряжения в цепи регулирования, называют импульсными системами. Системы АПЧ, у которых измерительным элементом осуществляется непрерывное измерение отклонений частоты, являются непрерывными системами. В соответствии с таким разделением системы АПЧ приемников непрерывных сигналов практически всегда являются непрерывными. Системы АПЧ импульсных приемников в зависимости от принципа работы измерительного элемента могут быть как импульсными, так и непрерывными.

В импульсных приемниках системы АПЧ, работающие по принципу стабилизации промежуточной частоты, являются импульсными системами, поскольку измеряемое отклонение частоты на выходе смесителя от номинального значения промежуточной частоты носит дискретный, импульсный характер. Системы АПЧ, работающие по принципу стабилизации частоты гетеродина, независимо от формы сигналов, принимаемых приемником, являются, как правило, непрерывными системами, так как измерение отклонений частоты гетеродина от номинального значения осуществляется в непрерывном режиме.