книги из ГПНТБ / Константинов П.А. Авиационная радиосвязь

Напряжение разностной частоты поступает на фильтр Ф и да­ лее на управляющий элемент УЭ, компенсирующий начальное отклонение частоты плавного генератора ПГ.

При отсутствии возмущений величина f равна либо нулю, либо некоторой величине /л , равной собственной частоте де­ тектора

гДе/опном1 /пг ном— номинальные значения опорной частоты и ча­ стоты плавного генератора. Обозначим

Таким образом, равенство (10.5) между частотами заменено равенством (10.7) между отклонениями этих частот относитель­ но номинальных значений. Оба указанных равенства являются эквивалентными, и при рассмотрении процессов в системе АПЧ можно пользоваться любым из них.

Применяемые в радиосвязи системы АПЧ можно классифи­ цировать по типу элементов, прежде всего по типу датчика опорных частот и по типу детектора.

В зависимости от типа датчика опорных частот различают ав­ томатическую подстройку частоты по корреспонденту и по ме­ стному датчику опорных частот. В первом случае опорной ча­ стотой является частота принимаемого сигнала. Во втором слу­ чае опорные частоты создаются специальным датчиком, являю­ щимся неотъемлемой частью данной радиостанции.

Автоматическая подстройка частоты по корреспонденту имеет два существенных недостатка.

Во-первых, такая автоподстройка мЪжет применяться толь­ ко в приемнике; в передатчике либо придется мириться с низкой стабильностью частоты, т. е. идти на ухудшение качественных показателей радиостанции, либо применять кварцевую стаби­ лизацию, т. е. идти на усложнение схемы.

Во-вторых, автоподстройка по корреспонденту может при­ вести к ложной настройке на мешающий сигнал при большой насыщенности диапазона радиосредствами, а также при нали­ чии организованных помех.

По указанным причинам в самолетных связных радиостанци­ ях чаще применяется АПЧ по местному датчику опорных частот, имеющемуся в радиостанции. Этот датчик с помощью различ­ ных интерполяционных схем создает сетку опорных частот,

.490

к одной из которых система АПЧ подстраивает частоту плавно­ го генератора.

Существенно отметить, что метод автоподстройки в значи­ тельной мере свободен от недостатка, связанного с наличием побочных частот на выходе датчика опорных частот. Это объяс­ няется тем, что в данном случае опорные частоты, а следова­ тельно, и все побочные частоты, при хорошо выполненном мон­ таже не выходят за пределы системы АПЧ, т. е. не излучаются антенной радиостанции в пространство. Опорные частоты здесь служат в качестве эталона для корректировки частоты плавно­ го генератора, которая и используется для излучения в передат­ чике и для преобразования в промежуточную частоту в прием­ нике.

Несмотря на указанные недостатки, присущие системе АПЧ по корреспонденту, в ряде случаев ее применение неизбежно. С такой необходимостью приходится сталкиваться при связи с быстродвижущимися объектами, когда имеют место значи­ тельные допплеровские смещения частоты, которые компенси­ руются1системой АПЧ (восстановление несущей частоты в при­ емнике при однополосной модуляции, связь с космическими ко­ раблями и т. п.).

Проведем теперь классификацию систем АПЧ по типу при­ меняемого детектора. Как уже говорилось, система АПЧ реаги­ рует на изменение частоты. Но изменение частоты на величи­

Поскольку изменения частоты и фазы связаны, могут быть построены два типа систем АПЧ. В одном случае системна АПЧ реагирует на изменение частоты. Такая система называется си­ стемой частотной АПЧ. В другом случае система реагирует на изменение фазы. Такая система называется системой фазовой АПЧ. В авиационных связных радиостанциях применяются обе эти системы.

Остановимся сначала на системе частотной АПЧ. Свойства этой системы в значительной мере определяются характеристи­ ками частотного детектора и управляющего элемента.

Частотный детектор или дискриминатор создает напряже­

собственной частоте дискриминатора, напряжение на его выхо­ де равно нулю. Если же разность частот отличается от / д на некоторую величину 8/, т. е. / = / д + 8/ , тогда на выходе ча­

49!

дается. Характеристикой первого типа (рис. 10.6,а) обладает реактивная лампа (электронный управляющий элемент), харак­ теристикой второго типа (рис. 10.6,6) — реверсивный двигатель постоянного тока (механический управляющий элемент), вра­ щающий ротор переменного конденсатора контура плавного ге­ нератора.

В первом случае частота плавного генератора при измене­ нии управляющего напряжения на сетке реактивной лампы из­

Uу

ного участка статической характеристики реактивной лампы. Предел изменения частоты с помощью реактивной лампы опре­ деляется максимальным приращением эквивалентной реактив­ ности.

Во втором случае при управляющемнапряжении, превосхо­ дящем минимальное напряжение Uymm , необходимое для вра­ щения двигателя, последний начинает вращаться и изменять частоту плавного генератора в соответствии с вертикальными участками статической характеристики. Максимальное измене­ ние частоты определяется диапазоном изменения емкости пере­ менного конденсатора и может быть получено весьма большим. В этом состоит достоинство системы АПЧ с механическим уп­ равляющим элементом. Однако такая система дает меньшую точность и обладает большей ийерционностью по сравнению с системой, в которой в качестве управляющего элемента исполь­ зуется реактивная лампа.

Вавиационных связных радиостанциях применяются как те, так и другие системы АПЧ.

Вкачестве управляющих элементов используются также «ре­ активные» диоды, относящиеся, как и реактивные лампы, к элек­ тронным управляющим элементам, и ферромагнитные управ­ ляющие элементы. Характеристики этих элементов подобны ха­ рактеристике реактивной лампы.

Дискриминатор и управляющий элемент в замкнутой систе­ ме автоматического регулирования действуют совместно. Если характеристика управляющего элемента имеет вид, представ­ ленный на рис. 10.6,а, тогда действие системы частотной АПЧ сводится к уменьшению начального отклонения частоты4плавно­

ния называется статической, а величина остаточной расстрой­ ки — статизмом системы.

4 9 а

называется коэффициентом автоподстройки. Его величина за­ висит от параметров дискриминатора и . управляющего эле­ мента:

равляющего элемента и детектора имеют три точки пересечения (а, б, в). Можно показать, что точками устойчивого равновесия являются точки а и в. Первой точкой, которую проходит система автоподстройки, является точка а, и в этой точке уста­ новится равновесие. Но оста­ точная расстройка, соответ­ ствующая точке а, лишь не­ много меньше начальной рас­ стройки, поэтому система АПЧ

работает неэффективно. Высокая эффективность си­

стемы АПЧ сохраняется до

значений начальной расстрой­ ки, меньших 8/с. Величина 8/с называется полосой схватыва­ ния.

Необходимость обеспечения режима схватывания при нали­ чии некоторой начальной расстройки является важным требо­ ванием, предъявляемым к системам АПЧ авиационных связных радиостанций. Условия, соответствующие этому режиму, возни­ кают, например, при смене волн связи. Возможем другой ре­ жим — режим удержания, который возникает при замкнутой системе АПЧ и медленном увеличении расстройки частоты. В этом случае высокая эффективность системы АПЧ будет со­ храняться до тех пор, пока разность сравниваемых частот не выйдет за пределы полосы удержания о/у.

В ряде случаев отклонения частоты получаются настолько большими, что обеспечить режим схватывания во всем диапазо­ не возмржных отклонений практически трудно. Такие отклоне­ ния возникают, например, за счет допплеровского смещения ча­ стоты в системе связи с быстродвижущимися объектами. В по­ добных случаях применяется поиск опорной частоты путем из­ менения частоты плавного генератора. Когда разность частот войдет в полосу схватывания системы АПЧ, поиск прекращает­ ся. После этого при медленных изменениях опорной частоты система АПЧ будет удерживать частоту плавного генератора вблизи значения опорной частоты.

Наиболее важные требования, предъявляемые к системе АПЧ связной радиостанции, состоят в обеспечении большого

4 9 4

коэффициента автоподстройки и широкой полосы схватывания. Первое требование необходимо для обеспечения высокой точ­ ности .регулирования системы АПЧ, второе — для обеспечения высокой эффективности работы схемы при отклонениях частоты плавного генератора в широких пределах. Чем шире полоса схватывания, тем больше допустимые отклонения частоты плав­ ного генератора и тем проще его конструктивное выполнение.

Удовлетворить оба указанных требования при использова­ нии одного резонансного дискриминатора обычно не удается. Этого можно достигнуть при использовании двух последова­ тельно соединенных резонансных дискриминаторов.

Рис. 1U.8. Статические характеристики двух последовательно соединенных дискриминато­ ров

Первый, так называемый узкополосный дискриминатор, име­ ет. большую крутизну начального участка статической характе­ ристики и, таким образом, обеспечивает высокий коэффициент автоподстройки и малую остаточную расстройку. Статическая характеристика второго, широкополосного дискриминатора имеет малую крутизну начального участка. Результирующая характеристика двух дискриминаторов приведена на рис. 10.8. Из этого рисунка видно, что при использовании двух дискрими­ наторов полоса схватывания 8/с2 будет значительно шире по­ лосы схватывания 8 /с1 при использовании одного дискрими­ натора.

Следовательно, применение двух дискриминаторов дает воз­ можность получить высокий коэффициент автоподстройки и ши­ рокую полосу схватывания.

Для этой же цели в некоторых радиостанциях применяется дискриминатор нулевых биений. По он оказывается более слож­ ным и громоздким, чем два резонансных дискриминатора.

4 9 5

Система АПЧ с механическим управляющим элементом (ин­ тегрирующее звено) является астатической. Такая система в установившемся режиме не имеет остаточной расстройки. Одна­ ко практически из-за трения и инерции точного равенства ча­ стот она не обеспечивает. ■ \

В системах АПЧ авиационных связных радиостанций меха­ нические управляющие элементы ’часто применяются совместно с электронными управляющими элементами. За счет механиче­ ского управляющего элемента остаточная расстройка умень­ шается до значения, соответствующего его порогу чувствитель­ ности. За счет электронного управляющего элемента происхо­ дит дальнейшее уменьшение остаточной расстройки в /г (коэф­ фициент автоподстройки) раз.

Рис. 10.9. Блок-схема радиостанции с частотной АПЧ

Можно построить большое количество различных схем связ­ ных радиостанций с применением частотной АПЧ. Основными элементами радиостанции являются передатчик, приемник, дат-, чик опорных частот и система АПЧ, обеспечивающая подстрой­ ку частот передатчика и приемника к нужной опорной частоте. В целях уменьшения габаритов радиостанции некоторые эле­ менты целесообразно делать общими для передатчика и прием­ ника. К числу таких элементов относится, например, датчик опорных частот (ДОЧ), являющийся сам по себе достаточно сложным устройством.

На рис. 10.9 приведена одна из возможных схем УКВ радио­ станции с частотной АПЧ, работающей в диапазоне 100— 1 150 Мгц. Описание ее работы начнем с приемного устройства. Приемник имеет двойное преобразование частоты и, соот­ ветственно, два гетеродина: Гх и Г2. Частота второго гетеродина фиксирована ( / г2 = 21,1833 Мгц) и стабилизирована кварцем.

4 9 6

С помощью системы АПЧ частота первого гетеродина под­ страивается по датчику опорных частот ДОЧ, который создает сетку большого числа стабильных частот с использованием ма­ лого числа кварцев. Обычно это достигается путем применения различных интерполяционных схем. Частота датчика опорных частот устанавливается специальным механизмом (гл,- X, § 3).

Система АПЧ содержит механический управляющий эле­ мент (двигатель М) и электронный управляющий элемент (уп­ равляющая лампа УЛ и реактивный диод РД). Оба они подвер­ гаются воздействию управляющего напряжения, образующего­ ся на выходе дискриминатора Д. В результате точность наст­ ройки первого гетеродина получается высокой.

Рассмотрим способ осуществления АПЧ передатчика. Осо­ бенностью данной радиостанции является подстройка частоты передатчика по своему приемнику. Для этого в режиме переда­ чи напряжение с выхода передатчика через емкость С контак­ тов антенного реле поступает на вход приемника. В приемнике оно преобразуется в промежуточные частоты, как обычный сиг­ нал. При больших отклонениях частоты передатчика от номи­ нального значения работает широкополосный дискриминатор ШД, с нагрузки которого управляющее напряжение подается на вход управляющей лампы, регулирующей ток через ферро­ вариометр ФВ. Таким образом, создается цепь грубой автопод­ стройки частоты плавного генератора передатчика за счет дей­ ствия широкополосного дискриминатора.

Полоса схватывания системы грубой АПЧ Д/с = 500 кгц, а остаточная расстройка находится в пределах полосы пропуска­ ния УПЧ-2 приемника. Когда в эту полосу попадает преобразо­ ванный сигнал передатчика, вступает в действие узкополосный дискриминатор УД, который имеет большую крутизну началь­ ного участка статической характеристики.

Нагрузки обоих дискриминаторов соединены последователь­ но. В результате полоса, схватывания будет широкой (за счет действия широкополосного дискриминатора), а коэффициент

.автоподстройки большим (за счет действия узкрполосного ди­ скриминатора).

Радиостанция с частотной АПЧ, разумеется, не обязательно должна строиться по схеме, изображенной на рис. 10.9, и на тот диапазон, который указан выше. Если, например, диапазон плавного генератора расширить до 100— 195 Мгц, а в буферном усилителе использовать режим удвоения, тогда рабочий диапа­ зон радиостанции будет 200—390 Мгц (при соответствующем изменении диапазона первого гетеродина приемника). Могут быть использованы и другие принципы построения схем радио­ станций. !

Радиостанции с применением фазовой АПЧ

Фазовая автоподстройка широко применяется для стабили­ зации частоты связных радиостанций. Блок-схема системы фа­ зовой АПЧ соответствует схеме, изображенной на рис. 10.4, ес­ ли в ней используется фазовый детектор.

Фазовый детектор представляет собой нелинейное устройст­ во, к которому подводятся напряжения двух частот: частоты плавного генератора шп Р и опорной частоты Сначала бу­ дем предполагать, что фильтр нижних частот на выходе фазо­ вого детектора отсутствует (его передаточная функция равна единице), а подводимые напряжения являются гармонически­ ми. Тогда управляющее напряжение равно напряжению на вы­ ходе детектора и при некоторых условиях [5] будет определять­ ся следующим выражением:

( 10.8).

Под действием управляющего напряжения частота стабили­ зируемого генератора будет изменяться. Если статическая моду­ ляционная характеристика управляющего элемента (реактив­ ной лампы) в пределах ее рабочего участка линейная и имеет крутизну Sy , тогда текущее отклонение частоты определится так:

где 8<он— начальное отклонение частоты. В момент синхрони­

ей® п зации сравниваемые частоты будут равны, поэтому ою = —— = О,

dt

<р — <р0. Из (10.11) и (10.12) следует, что при этом

есть амплитуда отклонения частоты под действием реактивной лампы при данном фазовом детекторе.

Равенство (10.13) будет удовлетворяться только в том слу­

равенство не может быть выполнено. В этом случае под дейст­

4 9 8

вием системы АПЧ будет иметь место периодическое изменение частоты плавного генератора, следовательно, установившийся режим в системе невозможен.

Процесс синхронизации при фазовой автоподстройке пояс­ няется с помощью фазовой траектории системы АПЧ (рис. 10.10), соответствующей дифференциальному уравнению (10.12). Абсцисса кривой характеризует фазу колебаний, орди­ ната — первую производную по времени фазы ф , т. е. частоту колебаний.

Движение точки по фазовой траектории (так называемой изображающей точки) характеризует динамическое состояние

Рис. 10.10. Фазовая траектория системы фазовой АПЧ

вательности точек равновесия, при которых выполняется ра­ венство (10.12). Точки аь а2, а3 будут соответствовать устойчи­ вым состояниям равновесия, точки бг, б2, бъ — неустойчивым состояниям равновесия. Это доказывается с помощью следую­ щего правила определения направления движения изображаю­

щая точка всегда будет перемещаться вправо, а в нижней полу­

отклонения до тех пор, пока установится устойчивое равновесие, соответствующее одной из точек аь а2, а3.

Максимальное начальное отклонение частоты, которое ли­ квидируется системой автоподстройки, при фазовой АПЧ также характеризуется значением полос схватывания и удержания.

При отсутствии фильтра нижних частот эти полосы одинако­