книги из ГПНТБ / Инженерные изыскания в строительстве. Инженерно-геологические, геофизические и геодезические исследования [сборник]
.pdfС выхода смесителя преобразованный сигнал часто той /г+/д подается на усилитель промежуточной часто ты и затем на вход балансного смесителя, куда также подается напряжение гетеродина.
Рис. 30. Спектр частот сигналов, снимаемых с вы хода балансного модулятора
На выходе балансного смесителя выделяется сигнал разностной комбинированной частоты (/г+/д) — f r = fn., который после усиления подается на измерительное уст ройство.
Врассмотренной схеме так же, как и в предыдущей, вследствие двукратного гетеродинирования частота вы ходного сигнала не зависит от частот передатчика и ге теродина, поэтому их нестабильность работы не сказы вается на точности измерений.
ВЧМ радиолокационных системах излученный сиг нал, а следовательно, и принимаемый приемником сиг нал подвержены широкополосной частотной модуляции. Как уже упоминалось, для эффективного приема такого сигнала необходимо осуществить следящий прием.
Еще в 40-х годах В. И. Сифоровым было доказано, что переход от амплитудной модуляции к широкополос ной частотной может значительно повысить помехоустой чивость системы. Тогда же было доказано, что при этом выигрыш в превышении сигнала над помехой по мощно сти пропорционален квадрату индекса модуляции, т. е. может достигать нескольких порядков.
Но широкополосной частотной модуляции присущ и серьезный недостаток. Дело в том, что выигрыш в вы ходном сигнале приемника реализуется лишь в том слу чае, если превышение сигнала над помехой на входе
70
iiepBOro нелинейного элемента приемного тракта (огра ничителя или детектора) больше некоторого порогового значения. Ниже этого значения помехоустойчивость ЧМ системы ухудшается и становится хуже, чем у A M си стемы.
Как известно, в частотно-модулированных системах при использовании в УВЧ и УПЧ обычных гармониче ских стационарных фильтров для неискаженного приема сигналов полоса пропускания приемника должна быть больше удвоенной девиации частоты. В то же время, чем больше полоса пропускания входного линейного тракта приемника (включая УВЧ и УПЧ),тем больше мощность помех, тем больше, следовательно, должно быть надпороговоё значение полезного сигнала.
Однако эта невыгодная зависимость порога сигнала от девиации не является особенностью широкополосного частотно-модулированного сигнала. Она связана прежде всего с несоответствием таким сигналам фильтров, используемых в обычных приемниках.
Следящие фильтры
Указанный недостаток может быть устранен, если во входном тракте приемника вместо стационарных фильтров применить нестационарные, модулированные фильтры, чтобы их собственные колебания совпадали по форме с резонансным внешним сигналом. Для этого соб ственные колебания фильтра должны быть также частот но-модулированными, причем мгновенная частота их должна изменяться синфазно с частотой поступающего на фильтр внешнего резонансного сигнала, как бы не прерывно следя за ее изменениями в процессе модуля ции. Такой фильтр получил название следящего.
Различают два типа следящих фильтров: с внешним синфазированием и с самосинфазированием. У первого типа модуляция реактивных параметров фильтра осу ществляется от внешнего источника; у второго типа для модуляции его реактивных параметров используется вы ходной сигнал самого следящего фильтра. Оба типа следящих фильтров в принципе отличаются от извест ных схем инерционной автоподстройки контуров на ста ционарную несущую частоту входного сигнала.
71
Следящий фильтр с внешним синфазированием. На рис. 31 приведен возможный вариант структурной схе мы ЧМ радиовысотомера, в котором передатчик моду лируется по частоте (по треугольному закону) с помо щью двигателя, вращающего ротор переменного кон денсатора колебательного контура. Одновременно этот же двигатель перестраивает и фильтр приемника. В дан-
. ис. 31. Простейший Ч М радиовысотомер со следящим фильтром
ном случае передатчик и приемник находятся рядом и
поэтому закон модуляции |
передатчика всегда |
может |
быть принудительно введен |
в закон модуляции |
фильт |
ра приемника. |
|
|
Радиовысотомер работает следующим образом. Пере датчик излучает ЧМ колебания. Небольшая часть мощ ности передатчика попадает в приемник. Здесь сигналы передатчика и принятые приемником отраженные от по верхности Земли сигналы сравниваются. Поскольку ча стота отраженных сигналов отличается от частоты излу ченных сигналов (в связи с запаздыванием отраженного сигнала), то по сдвигу частоты можно определять рас стояние— высоту полета объекта, на котором установ лен радиовысотомер. Чем больше высота, тем больше запаздывание отраженного сигнала и тем больше его
частота отличается от частоты излученного |
сигнала: |
|
1Н |
|
(105) |
ts = —с |
, |
72
где /3 — время, за которое излученные радиоволны проходят расстояние от радиовысотомера до поверхности Земли и обратно;
Я—• высота полета; с — скорость света.
Особенностью схемы данного радиовысотомера яв ляется то, что частота передатчика и резонансная часто та фильтра перестраиваются синфазно, т. е. в каждый момент времени фильтр оказывается настроенным на ча стоту излученного сигнала.
Если высота не меняется, то оператор, имея много времени для измерений, может с помощью цепи пере менной задержки медленно изменять задержку модуля ции частоты фильтра, пока она не станет равной задерж-
ке модуляции частоты сигнала Т0= — . В этом режиме
с
фильтр в каждый момент времени настроен на частоту отраженного сигнала.
Поскольку время измерения не ограничено, то мож но выбирать период модуляции достаточно большим (при заданном размахе Af), чтобы колебания в фильтре могли устанавливаться при сколь угодно узкой полосе его про пускания. В таком режиме следящий фильтр с весьма узкой полосой пропускания обеспечивает неискаженный прием широкополосного частотно-модулированного сиг нала.
Таким образом, если измеряется расстояние до непо движной цели, то с помощью схемы со следящим филь тром возможно неискаженное воспроизведение отражен ного сигнала при сколь угодно узкой полосе пропускания приемника независимо от ширины спектра сигнала пере датчика. Как будет показано ниже, это свидетельствует о больших возможностях схем со следящим фильтром в области помехоустойчивости.
Следящий фильтр с самосинфазированием. Второй тип следящего фильтра рассмотрим на примере связного ЧМ приемника (рис. 32). Данная схема отличается от схемы обычного супергетеродинного приемника тем, что в ней низкочастотный сигнал с выхода частотного детек тора после усиления и коррекции подается на реактив ный модулятор, который автоматически подстраивает фильтр промежуточной частоты в резонанс с изменяю щейся в процессе модуляции частотой входного сигнала.
73
Следовательно, в данном случае фильтр промежуточной частоты является следящим фильтром с самосннфазированием, так как для модуляции его реактивных парамет ров используется сам выходной сигнал.
Если частота модуляции очень мала |
по сравнению |
с девиацией частоты сигнала, то имеется |
весьма много |
Y
L. |
Усилитель |
|
|
к УНУ 2 |
высокой |
|
|
|
|
п |
частоты |
|
|
|
|
Смеситель |
|
{Ограничитель] |
Частотный |
|
|
амплитуды |
детектор |
|
|
|
|
||
|
Гетеродин |
Реактивный |
Корректирующая |
|
|
модулятор |
цепь |
|
|
|
|
|
||
Рис. 32. Частотно-модулированный |
приемник со следящим фильтром |
времени для установления колебаний в следящем филь тре при любой частоте настройки. Поэтому полоса про пускания фильтра может быть сколь угодно малой.
Таким образом, следящие фильтры второго типа так же обладают большими возможностями в области повы шения помехоустойчивости и снижения уровня искаже ний при приеме частотно-модулированных сигналов.
Следящие фильтры эффективно могут применяться в частотно-модулированных радиолокационных системах. Но введение непосредственно в высокочастотный тракт следящего фильтра связано с некоторыми трудностями реализации высокой добротности перестраиваемого филь тра. Поэтому более выгодно применять схемы, имити рующие эффект следящего фильтра, — схемы со следя щим гетеродином,
74
Схема со следящим гетеродином
На рис. 33 приведена схема смесителя со следящим гетеродином. На его вход подаются два напряжения: гетеродина er(t) и частотно-модулированного сигнала ec(t). На выходе включен узкополосный гармонический фильтр с резонансной частотой соф0.
I |
ч |
о ' |
Рис. 33. Схема смесителя со следящим гетеродином
Нетрудно доказать, что для неискаженного выделения из сложного входного сигнала ЧМ составляющих необ ходимо, чтобы закон модуляции напряжения гетеродина был таким же, как и входного сигнала.
Если полосу пропускания фильтра считать исчезающе малой, то для прохождения через него разностных комбинационных составляющих частот необходимо, что
бы в любой момент времени удовлетворялось |
условие |
] ">0 — шг (0 | = №ф0. |
(106) |
Здесь правая часть равенства постоянная, а левая —
переменная, так как ar(t) |
—величина |
переменная. При |
|||
этих условиях |
ни для каких гармонических |
колебаний |
|||
с постоянной частотой сос приведенное |
равенство |
(106) |
|||
не выполняется |
и, следовательно, цепь с ЧМ гетеродином |
||||
не в состоянии |
выделить |
из входного |
сигнала |
гармони |
|
ческие составляющие. Для выполнения |
равенства |
(106) |
75
составляющие, выделяемые такой цепью из входного сигнала, должны быть частотно-модулированными:
| « > в ( 0 - М 0 1 = |
<»Фо- |
( 1 0 ? ) |
Определим, какой же должен |
быть закон |
модуляции |
входного сигнала. Обозначим закон модуляции входного
сигнала H(t), |
а гетеродина K(t). |
Тогда равенство |
(107) |
будет выглядеть так: |
|
|
|
| К , , + |
Дш0г7 (t)] - К , , + |
LwvK (t)] | = шф 0 . |
(108) |
Равенство (108) удовлетворяется, если переменная составляющая его левой части в любой момент времени
равна нулю. При этом левую часть равенства |
можно |
||
разбить на три: |
|
|
|
Дш0 |
= |
Дшг, |
(109) |
H(t) |
= |
K(t), |
(110) |
|ШоО —<"г 0 |=Шфо- |
( П О |
Условия (109) и (ПО) являются необходимыми и до статочными для преобразования смесителем любого входного ЧМ сигнала в гармонический сигнал, являю щийся простейшим для данного фильтра. Следовательно, цепь со следящим гетеродином, как и следящий фильтр, отбирает из сложного входного сигнала не гармониче ские составляющие, а ЧМ составляющие, закон моду ляции которых синфазен с законом модуляции напря жения ЧМ гетеродина.
В ЧМ радиолокационных системах на вход приемни ка поступает ЧМ сигнал, поэтому для обеспечения приема этого сигнала при использовании схемы, изобра женной на рис. 33, законы модуляции частоты гетероди на и сигнала должны совпадать. Как следует из выра жения (111), несущие частоты сигнала и гетеродина могут изменяться, но при этом изменения частоты гете родина должны синфазно отслеживать изменения часто ты сигнала.
Схемы следящего приема, в которых частота вход ного сигнала преобразуется в частоту настройки филь тра с помощью перестраиваемого гетеродина, могут основываться на частотной (ЧАП) и фазовой (ФАП) автоподстройках.
Схема с частотной автоподстройкой гетеродина по зволяет при широкополосной частотной модуляции вход-
76
нбго сигнала Получить во много раз меньший индекс модуляции сигнала промежуточной частоты. Это дает возможность использовать в селективном усилителе про межуточной частоты узкополосный фильтр с постоянны ми параметрами и таким образом простыми средствами снизить шумовой порог схемы.
От УВЧСмесители |
Усилитель |
Ограничи |
[Частотный] Амплитуд |
||
•промажут, |
тель |
детектор |
ный |
ктн |
|
|
частоты |
|
|
детектор |
|
Следящий |
Реактивный] |
Корректи |
Управляющий] |
гетеродин |
модулятор |
рующая |
элемент |
цепочка |
|||
Рис. 34. Структурная схема |
частотной |
автоподстройки частоты |
|
На рис. 34 приведена |
структурная схема * частотной |
автоподстройки гетеродина. Принятый сигнал поступает на смеситель, куда также подаются колебания следя щего гетеродина. С выхода смесителя сигнал рассогласо вания поступает на фильтр усилителя промежуточной ча стоты, а затем после ограничения и детектирования на управляющий элемент. С выхода управляющего элемен та напряжение сигнала ошибки после коррекции воздей ствует на реактивный модулятор, который подстраивает гетеродин в соответствии с изменяющейся частотой вход
ного сигнала так, чтобы величину |
рассогласования све |
||||
сти к нулю. |
|
|
|
|
|
На |
рис. 35 |
приведена структурная |
схема |
контура |
|
ФАП. Контур работает следующим образом. |
|
||||
На |
вход |
фазового детектора |
поступают: |
сигнал |
|
" с (ф1) с фазой |
ф! и напряжение с выхода управляемого |
||||
генератора % г ( ф 2 ) с фазой ф2 . С выхода |
фазового детек |
||||
тора |
снимается управляющее напряжение ыд (ф! — фг), |
величина которого зависит от разности фаз сигнала и гетеродина. После фильтрации от помех в фильтре ниж-
* На рис. 34—40, 42, 46—50, 52, 53, 55—57 приведены воз можные варианты структурных и принципиальных схем.
77
них частот управляющее напряжение поступает на уп равляющий элемент, который корректирует частоту управляемого генератора. Таким образом, частота управ ляемого генератора в каждый момент времени поддер живается равной частоте сигнала.
В таких системах могут использоваться три вида уп-
uc<f?i) |
Фазовый |
Фильтр |
Управляющий |
|
детектор |
нижних |
элемент |
|
частот |
||
|
|
|
\Управляемыщ
шератор
Рис. 35. Структурная схема контура ФАП
равляющих элементов: электронные (реактивные лампы, вносящие в контур управляемого генератора изменяю щееся реактивное сопротивление, полупроводниковые конденсаторы, вариконды, ферровариометры); механиче ские, осуществляющие коррекцию частоты механическим изменением параметров одного или нескольких элемен тов контура управляемого генератора; электронно-меха нические, в которых сочетаются электронные п механи ческие управляющие элементы.
|
|
Опорный |
|
|
|
генератор |
|
Смеситель |
УПЧ |
Фазовый |
Фильтр |
детектор |
нижних |
||
|
|
частот |
|
|
|
|
|
|
Управляемый |
|
Управляющий |
|
генератор |
|
элемент |
Рис. 36. Структурная схема ФАП с запаздыванием
78
Схема ФАП с запаздыванием. Схема фазовой авто подстройки с запаздыванием изображена на рис. 36. На смеситель поступает сигнал частотой / 0 и напряжение управляемого генератора (гетеродина) частоты fr. С вы хода смесителя снимается напряжение промежуточной частоты fmn=fc — h- Частота опорного генератора так же равна частоте настройки УПЧ. Поэтому при измене нии частоты входного сигнала на выходе фазового детек тора образуется напряжение, пропорциональное разности фаз колебаний, поступающих на него с выхода УПЧ и опорного генератора. Это напряжение после фильтрации от помех в фильтре нижних частот поступает на управ ляющий элемент, который изменяет частоту управляе мого генератора так, чтобы в каждый момент времени
удовлетворялось |
условие / с — /Г |
= /УПИ- |
Описанную схему называют «с запаздыванием» из-за |
||
наличия в ней |
УПЧ, который |
вносит запаздывание: |
имеющийся скачок фазы на входе системы поступит на фазовый детектор через промежуток времени, определя емый полосой пропускания УПЧ.
Основным достоинством этой схемы является ее по вышенная помехоустойчивость, так как УПЧ ограничи вает полосу шума на входе фазового детектора и, следо вательно, увеличивает отношение сигнал/шум на его входе по сравнению с отношением сигнал/шум на входе системы.
Цепи ФАП с электронной и механической подстрой кой. На рис. 37 приведена схема фазовой автоподстрой ки с параллельным включением электронной и механиче ской подстройки управляемого генератора. Здесь меха ническая (с помощью электродвигателя) подстройка отрабатывает статическое рассогласование, а электрон ная — быстрые изменения фазы и частоты.
Вследствие дополнительной механической подстройки такая цепь обладает астатизмом второго порядка. При этом статическая фазовая ошибка за счет отклонения частоты входного сигнала станет равной нулю. В такой
системе |
полоса |
удержания определяется |
диапазоном |
||
перестройки электродвигателем |
частоты |
управляемого |
|||
генератора. |
|
|
|
|
|
Контур ФАП с дискретным управлением. Во многих |
|||||
случаях |
для непосредственного |
отсчета параметра |
цели |
||
в схемах |
после |
узкополосного |
следящего |
фильтра |
ста- |
79