Аналоговые и цифровые радиоприемные устройства

Зависимость F( ) называют дискриминационной характеристикой (Рис.

5. 9). При малых значениях дискриминационная характеристика линейна, и

выражение (5.10) принимает вид

где kчд – коэффициент передачи ЧД (крутизна детекторной характеристики).

Рис. 5. 9. Дискриминационная характеристика частотного детектора Под действием напряжения, снимаемого с фильтра, частота гетеродина пе-

рестаивается на

где K = Kчд Kф Kг – коэффициент передачи системы АПЧ.

Принцип работы системы АПЧ радиоприёмного устройства показан на ри-

сунке (Рис. 5. 10).

2

Направление

перестройки приемника Полоса захвата

Полоса удержания

Рис. 5. 10. Описание принципа работы системы АПЧ Процесс работы системы АПЧ в режимах захвата и удержания при пере-

стройке гетеродина «вверх» по частоте. При большой отстройке приёмника от центральной частоты система АПЧ находилась первоначально в устойчивом со-

стоянии (кривая характеристики управителя имеет одно пересечение с детектор-

ной характеристикой). При уменьшении отстройки приёмника возникает не-

устойчивость работы системы АПЧ (кривая характеристики управителя имеет два или три пересечения с детекторной характеристикой до точки 1). При умень-

шении отстройки, система АПЧ переходит в устойчивый режим захвата (кривая управителя переходит из точки 1 в точку 2), а при дальнейшей перестройке (до точки 3) система АПЧ удерживает настройку, характеризуя полосу удержания.

Значение частот, обеспечивающее режим захвата, называют полосой захвата (1- 1/). При дальнейшей перестройке приёмника (частоты гетеродина) система обес-

печивает устойчивую настройку (точка 3), а настройка принимает значение точки 4.

5.5. Система фазовой автоподстройки частоты

Системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) применяются в радио-

приёмных устройствах, перестраиваемых по частоте генераторах высокоста-

бильных колебаний и других устройствах. Структурная схема системы ФАПЧ

143

предназначена для стабилизации частоты подстраиваемого генератора (ПГ) по сигналу эталонного генератора (ЭГ) (Рис. 5. 11).

Рис. 5. 11. Структурная схема системы ФАПЧ

Объектом управления в системе ФАПЧ является ПГ, частота колебаний

(или фаза) и напряжение, которого изменяется в зависимости от напряжения, вы-

рабатываемого управляющим элементом (УЭ), при этом напряжение ПГ оста-

ётся неизменным. Частота напряжения ПГ является выходным сигналом си-

стемы ФАПЧ, на которую действует напряжение от эталонного генератора с ча-

стотой э. Этот сигнал является управляющим воздействием. Измерителем рас-

согласования является фазовый детектор (ФД), выходной сигнал которого явля-

ется нелинейной периодической функцией разности фаз сигналов, подаваемых от ЭГ и ПГ. Сигнал с ФД через ФНЧ подаётся на УЭ, который перестраивает частоту ПГ, приближая к частоте ЭГ. В установившемся режиме в системе уста-

навливается постоянная разность фаз между напряжениями uэ и uг, при этом напряжение на выходе ФД также будет постоянным, в результате чего частота сигнала с ПГ окажется равной частоте сигнала ЭГ.

Начальное рассогласование от ЭГ и ПГ определяется как

н = э – гн, (5. 14)

где гн – начальная частота сигнала ПГ.

После включения системы ФАПЧ частота сигнала ПГ:

144

где: kг – коэффициент передачи ПГ по частоте; kуэ – коэффициент передачи УЭ;

kд – коэффициент передачи ФД, равный максимальному напряжению на выходе ФД;

– разность фаз напряжений ЭГ и ПГ; F( ) – дискриминационная характеристика.

Важным параметром систем ФАПЧ является величина полосы захвата.

Под полосой захвата понимается диапазон первоначальных расстроек между ча-

стотами сигнала и подстраиваемого генератора, в пределах которого обеспечи-

вается переход к режиму слежения за частотой.

Для оценки максимально допустимого рассогласования используется по-

результат имеет размерность круговой частоты. С учётом (5.16) и (5.17) частота ПГ может быть определена по следующей формуле:

Из формулы (5.19) следует, что производная

э г . (5. 20)

Отличие структурной схемы системы ФАПЧ, от системы АПЧ состоит в наличии интегрирующего звена , с передаточной функцией W=1/p, производя-

щего операцию интегрирования (Рис. 5. 12).

145

Интегрирующее звено и возмущающее воздействие n(t) учитывают влия-

ние на качество работы системы флуктуационной составляющей напряжения, а

воздействие г – влияние нестабильности частоты ПГ.

Анализ показателей качества, расчёт устойчивости работы и оптимизации систмы управления радиоприёмных устройств более подробной изложены и представлены в [39, 50].

5.6. Оценка устойчивости автоматических регулировок

в радиоприёмных устройствах

Основными автоматическими системами регулирования в радиоприёмных устройствах являются АРУ, АПЧ, ФАПЧ. Безусловно после этапа проектирова-

ния радиоприёмника возникает проблема обоснования необходимости использо-

вания автоматически регулировок и обеспечения устойчивости его работы в условиях дестабилизирующих факторов и воздействий. Для решения данной за-

дачи необходимы: разработка структурной схемы радиоприёмного устройства;

идентификация узлов приёмника типовыми радиотехническими звеньями (ТРЗ);

определение передаточных функций типовых узлов; составление дифференци-

ального характеристического уравнения системы и расчёт устойчивости работы системы радиоавтоматики.

Для упрощения процедуры идентификации узлов и элементов радиопри-

ёмных устройств, определения их передаточных функций, можно воспользо-

ваться данными таблицы (Таблица 5. 2). В таблице основные узлы радиоприём-

ных устройств представлены в виде типовых радиотехнических звеньев, описы-

ваемых передаточными функциями.

На практике типовые узлы приёмных устройств идентифицируются по виду АЧХ и ФЧХ, определяя коэффициент усиления, наклон логарифмической АЧХ и постоянную времени ТРЗ и затем производится расчёт структурной схемы параметров автоматической системы [39].

146

Таблица 5. 2. Передаточные функции основных узлов радиоприёмного устройства

По результатам расчёта и исследования устойчивости радиоприёмного устройства, при необходимости, производится корректировка параметров основ-

ных узлов систем радиоавтоматики с целью оптимизации структуры управления.

Корректировке подвергаются те типовые радиотехнические звенья, которые от-

вечают за точность работы системы радиоавтоматики. К таким звеньям следует отнести: детектор системы автоматики (для случая раздельного детектирования),

фильтр низких частот системы автоматики (коэффициент усиления безынерци-

онного звена, постоянная времени цепи), управитель (крутизна регулирования,

постоянная времени). Элементы и узлы отвечающие за полосу обработки инфро-

мационного сигнала, корректировке не подвергаются.

Контрольные вопросы по главе 5

1. Какое назначение имеет система автоматической регулировки усиле-

ния?

2.Какова структурная схема разомкнутой системы АРУ?

3.Какова структурная схема замкнутой системы АРУ?

4.Когда используется задержанная система автоматической регулировки усиления?

147

5.Какое назначение имеет фильтр нижних частот в системе АРУ?

6.Какое назначение системы автоматической подстройки частоты?

7.Какое назначение имеет система фазовой автоподстройки?

8.Когда и где используется фазовая автоподстройка (ФАП)?

9.Какова структурная схема системы ФАП?

10.Чем отличается система ФАП от системы АПЧ?

149

m глубина модуляции (манипуляции) АМ – сигнала ( m 0.3– модуляция; m 0.8 – манипуляция; m 1 – импульсная модуляция);

fдев.max максимальная девиация частоты.

Отношение сигнал шум γ на входе приёмника (Рис. 6. 1)

вх. дет. NШ ,

где NШ – коэффициент шума линейного тракта приёмника (Таблица 6. 2).

Таблица 6. 1. Рекомендуемые значения коэффициента шума приёмника

Таблица 6. 2. Динамический диапазон на входе/выходе приемника и минимальное отношение сигнал/шум на выходе детектора

Качество радиоприёмников звукового вещания характеризуется зависимо-

стью разборчивости сигнала от уровня шумов на его выходе (Рис. 6. 2) [13]. Раз-

борчивость при приёме сигналов систем радиовещания обеспечивается при

90…95 %, а телеграфных сообщений и сеансах радиосвязи 50%.

Важной характеристикой радиоприёмника, влияющей на его чувствитель-

ность, является полоса пропускания, определяемая выражением

где FСП – эффективная ширина спектра;

FД – доплеровское смещение частоты сигнала;

150

ПНС – запас полосы пропускания, обусловленной нестабильностью и неточностью настройки радиоприёмного устройства.

R, %

Рис. 6. 2. Зависимость разборчивости звукового сигнала от отношения сигнал/шум на выходе

Доплеровское смещение частоты сигналов, принимаемых от передатчика,

перемещаемый относительно приёмника с радиальной скоростью, определяется

выражением

где Р – радиальная скорость перемещения источника радиосигналов; C 3 108 м/сек – скорость распространения радиоволн.

Величина ПНС определяется выражением

где C fC – нестабильность принимаемого радиосигнала;

Г fГ – нестабильность частоты гетеродина;

Н fН – нестабильность частоты настройки радиоприёмника;

П fП – нестабильность частоты настройки усилителя промежуточной ча-

стоты (для супергетеродинных радиоприёмников);

C , Г , Н , П – относительная нестабильность сигнала, гетеродина,

настройки преселектора и УПЧ соответственно. Относительная нестабильность генераторных схем определяется отноше-

нием f . f