Покровский / УМК ОРЭ ч.2(для студентов) / Радиоэлектроника(часть2) / Ответы(часть2)№13

Автоматические устройства управления и регулировок приемника

Современный приемник работает в условиях, которые часто меняются. Мо­гут различаться уровни принимаемых сигналов от разных передающих станций, возможна нестабильность уровня сигнала от одного передатчика из-за измене­ния условий распространения радиоволн. Часто возникает необходимость обес­печить перекрытие широкого частотного диапазона и высокую точность на­стройки на определенную несущую частоту. Для выполнения таких требований в приемник специально вводятся устройства, позволяющие вручную и автома­тически, непосредственно или дистанционно изменять и регулировать коэффи­циент усиления, частоту настройки и подбирать оптимальный режим работы.

Из специальных устройств, обеспечивающих стабильную работу приемника, следует выделить системы автоматической регулировки усиления (АРУ) и ав­томатической подстройки частоты (АПЧ). Эти системы могут выполняться как в аналоговом, так и цифровом виде.

Автоматическая регулировка усиления. Такая регулировка обеспечивает на выходе приемника практически неизменный уровень сигнала при больших (50... 100 дБ) колебаниях амплитуд входного сигнала. Структурная схема супергете­родинного приемника с АРУ и АПЧ, применяемая в аналоговых системах связи с амплитудно-модулированными колебаниями, приведена на рис. 8.9.

Принцип действия АРУ основан на автоматическом изменении коэффициен­тов усиления отдельных каскадов усилителей приемника при изменениях уров­ня входного сигнала. Главный элемент системы - амплитудный детектор АРУ (Д АРУ), который подключен к выходу УПЧ. Вырабатываемое детектором АРУ постоянное управляющее напряжение u_y должно быть пропорционально сред­нему уровню принимаемого сигнала и не зависеть от глубины амплитудной мо­дуляции. Поэтому на выходе детектора АРУ обязательно включается ФНЧ (на схеме рис. 8.9 для упрощения не показан). Постоянное управляющее напряже­ние u_y поступает на усилительные каскады и соответствующим образом изменя­ет режим работы активных элементов по постоянному току.

Схема АРУ, рассмотренная выше, является наиболее простой и поясняет лишь принцип ее действия. Основной недостаток данной схемы — уменьшение коэффициента усиления приемника даже при малых уровнях сигнала на выходе, что может привести к его полной потере. Поэтому в настоящее время использу­ются более сложные схемы АРУ, позволяющие обеспечить оптимальные режи­мы работы усилительных каскадов приемника при любых приемлемых уровнях принимаемого сигнала.

Рис. 8.9. Структурная схема супергетеродинного приемника с АРУ и АПЧ

Автоматическая подстройка частоты. Эта подстройка применяется для пре­дотвращения самопроизвольной расстройки приемника с приема выбранной радиостанции, обусловленной нестабильностью частот передатчика и гетеро­дина. Нестабильность частоты настройки приемника в основном проявляется в нестабильности промежуточной частоты. Чтобы эта частота изменялась в допустимых пределах, или вообще была стабильной, применяют АПЧ гетеро­дина (рис. 8.9).

Основным элементом любой системы АПЧ является частотный детектор (ЧД), подключенный к выходу УПЧ (петля АПЧ). Если промежуточная частота точно совпадает с номинальным значением, то напряжение на выходе частотного детектора равно нулю. При отклонении значения промежуточной частоты от номинального, на выходе частотного детектора появляется посто­янное напряжение и_чд, величина которого пропорциональна расстройке при­емника, а полярность соответствует знаку расстройки. Это постоянное на­пряжение поступает на вход гетеродина и подстраивает его таким образом, чтобы на выходе УПЧ было номинальное значение промежуточной частоты. Система АПЧ отслеживает частоту принимаемой станции только в том случае, когда полезный сигнал имеет достаточный уровень, и на входе при­емника не действует более мощный, близкий по частоте, мешающий сигнал. Если же такой мешающий сигнал поступает на вход устройства, то система АПЧ может настроить приемник не на полезный, а на мешающий сигнал.

Цифровая система АРУ. По выполняемым функциям, принципу действия и структурной схеме система цифровой автоматической регулировки усиления (ЦАРУ) мало в чем отличается от аналоговой АРУ: специфика ЦАРУ состоит лишь в цифровой реализации узлов известной аналоговой структурной схе­мы. Одна из проблем, которую необходимо решить при разработке системы ЦАРУ, заключается в ее сопряжении с регулируемыми каскадами (усилителями с переменными коэффициентами усиления, управляемыми ат­тенюаторами и прочее). Если в регулируемом каскаде приемника имеется цифровой управляющий вход, то сопряжение не представляет никаких за­труднений. При аналоговом же управлении регулируемым каскадом необхо­димо ввести в схему приемника дополнительный цифроаналоговый преобра­зователь.

Рис. 8.10. Структурная схема системы цифровой АРУ

Рассмотрим структурную схему простейшей системы цифровой АРУ (рис. 8.10), которая осуществляет регулировку коэффициентов усиления каска­дов УПЧ приемника. В схеме использованы усилительные каскады с нерегули­руемым коэффициентом усиления, однако, перед ними включен аттенюатор в виде магазина сопротивлений, переключаемый цифровым кодом.

Для определения уровня регулируемого сигнала к выходу УПЧ подключен аналоговый детектор АРУ (Д АРУ). Сигнал на его выходе U_ДАРУ подвергается квантованию в АЦП. Проанализируем принцип действия системы ЦАРУ при простейшем, бинарном квантовании сигнала в АЦП. Алгоритм работы схемы квантователя АЦП следующий:

• если U_ДАРУ меньше напряжения задержки E₃ (уровень выходного напря­жения УПЧ u_вых(t), котором происходит срабатывание ЦАРУ), то вырабаты­вается сигнал ошибки Z = −1;

• если U_ДАРУ больше напряжения задержки Е₃, то Z = +1.

Данный сигнал ошибки Z поступает в цифровой интегратор — усредняю­щий реверсивный счетчик (РС1) с коэффициентом счета R₁. При переполне­нии счетчика РС1 на его выходе появится импульс, увеличивающий или уменьшающий на единицу (в зависимости от знака переполнения) число во втором реверсивном счетчике, (РС2). Состояние счетчика РС2, т. е. записан­ный в нем цифровой код, может изменяться в пределах от 0 до R_2max. Этот счетчик не должен переполняться: когда код в РС2 достигнет значения 0 или R_2max, происходит блокировка поступления импульсов соответствующего знака с помощью устройства блокировки переполнения (УБП). Цифровой код счетчика РС2 дискретно регулирует коэффициент передачи управляемого аттенюатора, который, в свою очередь, изменяет коэффициент усиления УПЧ.

Частоту f_д дискретизирующей последовательности импульсов следует выби­рать в 10...15 раз больше верхней частоты спектра сигнала на входе АЦП. По­следняя определяется шириной полосы пропускания ФНЧ, включенного на вы­ходе детектора АРУ. Постоянную времени этого фильтра выбирают на порядок меньше минимально допустимой длительности переходных процессов в основ­ных узлах системы ЦАРУ, тогда эта длительность будет определяться цифро­вой, а не аналоговой частью устройства автоматического регулирования.

Цифровая система ФАГГЧ. Структурная схема системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) приведена на рис. 8.11. В системе производится сравнение на фазовом детекторе (ФД) мгновенных фаз эталонного сигнала частоты f_с и колебания час­тоты f_уг, вырабатываемого управляемым генератором (УГ). Затем осуществляется подстройка частоты f_уг управляемого генератора под эталонную частоту f_с. Эта схема характеризует как аналоговую, так и циф­ровую систему ФАПЧ (ЦФАПЧ). В последнем случае все или некоторые блоки схемы рис. 8.11 выполняются цифровыми. При этом возможны различные вари­анты реализации блоков. Так, фазовый детектор можно построить по любой из схем, описанных в гл. 6. При этом ФНЧ может быть в аналоговом или цифровом исполнении, что зависит от вида сигнала, управляющего УГ. Если УГ имеет управляющий вход аналогового вида, то предпочтительнее использование ана­логового фильтра, а если же он управляется цифро­вым кодом, то предпочтительнее использовать ЦФ.

Рис. 8.14. Структурная схема Рис. 8.12. Упрощенная Рис. 8.13. Структурная схема

системы цифровой ФАПЧ практическая схема ЦФАПЧ полностью цифровой ФАПЧ

Упрощенная практическая структурная схема ЦФАПЧ показана на рис. 8.12. В качестве УГ в ней использована отдельная интегральная схема (напри­мер, 531ГГ1; обозначена Г); ФД реализован на од­ном логическом элементе «Исключающее ИЛИ» (=1), а ФНЧ — простейший, аналоговый в виде ин­тегрирующей RС-цепи.

В полностью цифровой системе ЦФАПЧ ФНЧ вы­полнен по схеме цифрового фильтра (ЦФ), в качестве фазового детектора использована схема цифрового ФД (ЦФД), а УГ имеет цифровое управление (рис. 8.13).

Использование высокостабильных гетеродинов по­зволяет принципиально решить задачу настройки при­емника на частоту полезного сигнала. Для получения стабильных частот в неперестраиваемых (узкодиапа­зонных) приемниках в схему гетеродина вводят генера­тор с кварцевой стабилизацией частоты. Если же пере­датчик работает на ряде фиксированных частот, то в качестве гетеродинов используют синтезаторы частоты.

Литература: В.И. Нефедов, “Основы радиоэлектроники и связи”, Издательство «Высшая школа», Москва, 2002.

9.3. АВТОМАТИЧЕСКАЯ РЕГУЛИРОВКА УСИЛЕНИЯ

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) предназначена для поддержания постоянного напряжения на выходе УПЧ, необ­ходимого для нормальной работы выходных устройств приемника [2]. Уровень сигнала на входе приемника изменяется обычно в очень широких пределах; при максимальном напряжении на вхо­де РПрУ система АРУ должна обеспечить минимальный коэффи­циент усиления УТ приемника и наоборот. Таким образом, задача АРУ — изменять усиление УТ РПрУ в зависимости от уровня вход­ного сигнала. Система АРУ должна иметь устройство, напряже­ние Е_рег на выходе которого зависит от уровня сигнала в радио­тракте. Таким устройством может служить, например, амплитуд­ный детектор. Напряжение Е_рег, подаваемое на усилительные кас­кады, изменяет их коэффициент усиления. Для АРУ в приемнике создается цепь, состоящая из детектора АРУ и фильтра.

За счет АРУ в приемнике диапазон изменения напряжения сиг­нала U_ВЫХ/U_{ВЫХ НОМ} на его выходе меньше, чем диапазон изменения сигнала U_BX/U_{BX H0M} на входе, где U_{ВЫХ НОМ} и U_{ВХ НОМ} — требуемые номинальные напряжения соответственно на выходе и входе при­емника. Чем меньше это отношение, называемое диапазоном АРУ, тем эффективнее АРУ в приемнике.

В зависимости от способа подачи регулируемого напряжения АРУ подразделяются на обратные, прямые и комбинированные.

Структурная схема обратной АРУ. В этой схеме (рис. 9.5,а) напряжение регулировки Е_рег получают из напряжения U_ВЫХ на выходе регулируемого усилителя (РУ), в котором могут приме­няться способы регулировки усиления, рассмотренные в § 9.2. На­пряжение Е_рег подается со стороны выхода в направлении вхо­да РУ, что и обусловило название этого вида АРУ. Детектор АРУ (Д) обеспечивает напряжение E_рег на его выходе, пропорциональ­ное амплитуде напряжения U_ВЫХ: E_рег = K_дU_вых. Фильтр АРУ (Ф) отфильтровывает составляющие частот модуляции и пропускает медленно меняющиеся составляющие напряжения E_рег. Цепь АРУ, которая состоит только из детектора и фильтра, называют про­стой АРУ. В цепь АРУ может включаться усилитель до или после детектора. Усилитель до детектора АРУ — это УПЧ, после детек­тора— УПТ. В высококачественных РПрУ усилитель иногда вклю­чают и до, и после детектора. При наличии в цепи АРУ усилителя ее называют усиленной.

Работа регулируемого усилителя совместно с цепью АРУ опи­сывается характеристикой АРУ (рис. 9.6), показывающей зависи­мость U_вых = F(U_вх). Если АРУ простая, то при увеличении U_вх напряжение U_вых = K₀U_вх из-за уменьшения за счет АРУ резонанс­ного коэффициента усиления K₀ увеличивается в меньшее число раз, чем напряжение U_вх. С повышением U_вых увеличивается E_рег и соответственно уменьшается K₀. Недостаток простой АРУ состо­ит в том, что коэффициент усиления радиотракта уменьшается и при приеме слабых сигналов, когда этого не требуется. Для устра­нения этого недостатка используют АРУ с задержкой, в которой цепь АРУ начинает действовать только в том случае, когда вход­ное напряжение U_BX превышает пороговое U_пор; при этом слабые сигналы цепью АРУ не ослабляются (см. рис. 9.6). При идеаль­ной работе цепи АРУ с задержкой для U_BX ≥ U_пор напряжение на выходе усилителя постоянно (штриховая линия на рис. 9.6). По мере увеличения коэффициента усиления усилителя в цепи регу­лировки характеристика АРУ реального усилителя все в большей степени приближается к идеальной.

Особенностью обратной регулировки является то, что она не позволяет получать идеальную характеристику АРУ: можно лишь приблизиться к ней. Обратная АРУ не может быть идеальной, по­скольку для ее работы принципиально необходимо приращение вы­ходного напряжения ΔU_вых. Если допустить, что АРУ идеальна, то ΔU_вых = 0, при этом E_рег = const; K₀ = const, регулировка отсутст­вует, а следовательно, U_вых должно возрастать.

Структурная схема прямой АРУ. Цепь АРУ (рис. 9.5,6) под­ключена к входу регулируемого усилителя, напряжение регулиров­ки Е_рег получается в результате детектирования входного напряже­ния. При увеличении U_BX напряжение на выходе детектора АРУ возрастает, при этом увеличивается Е_рег, что вызывает уменьше­ние K₀. Напряжение U_вых = K₀U_вх. Если U_bx увеличивается, то K₀ уменьшается; при этом их произведение может оставаться посто­янным. Прямая АРУ позволяет в принципе получить идеальную характеристику регулировки (рис. 9.7), но практически добиться этого не удается. Такой АРУ свойствен ряд недостатков, основной из которых состоит в необходимости включать перед детектором в цепи АРУ дополнительный усилитель с большим коэффициентом усиления. Прямая АРУ нестабильна, т. е. подвержена действию различных дестабилизирующих факторов. Если, например, из-за изменения температуры или напряжения источника питания коэф­фициент усиления K₀ регулируемого усилителя увеличится, то ха­рактеристика АРУ из идеальной превратится в характеристику с нарастающим U_ВЫХ (см. рис. 9.7).

Структурная схема комбинированной АРУ. В этом случае (рис. 9.5, в) рационально используются преимущества обеих схем АРУ: стабильность обратной АРУ и возможность получения иде­альной характеристики в прямой АРУ. Для первого усилителя — это обратная, а для второго — прямая АРУ. Основная регулировка происходит в РУ₁ он, как правило, содержит несколько регулируе­мых каскадов. Второй регулируемый усилитель обычно однокаскадный, его основная задача — несколько скомпенсировать возрас­тающее напряжение на выходе первого усилителя. То, что идеаль­ная регулировка не достигается на практике, не имеет большого значения, так как пределы изменения U_ВЫХ невелики.

Бесшумная АРУ. Система АРУ обеспечивает в приемнике мак­симальное усиление тогда, когда принимается слабый сигнал. Это приводит к увеличению уровня шумового напряжения на выходе приемника. Устраняет это явление бесшумная АРУ (рис. 9.5, г), для реализации которой создается специальная цепь бесшумной регулировки БШР, управляемая Е_рег. Если Е_рег становится ниже определенного уровня, то цепь БШР вырабатывает напряжение Е_рег, запирающее УЗЧ; при превышении Е_рег этого порогового значе­ния Е_з становится равным нулю, УЗЧ отпирается и работа прием­ника восстанавливается. Имеется ряд схемных реализаций це­пи БШР.

Назначение фильтра в цепи АРУ. Амплитуда сигнала в приемнике может изменяться по двум причинам: 1) при использовании амплитудной модуляции для передачи информации в системе свя­зи или радиовещания; 2) из-за замираний, при которых уровень сигнала на входе приемника изменяется по случайному закону в широких пределах. Цепь АРУ должна устранять только замирания сигнала, но не должна реагировать на полезные изменения ампли­туды AM сигнала, что обеспечивается с помощью фильтра АРУ.

Скорость полезных и вредных изменений амплитуды сигнала различна. При AM амплитуда сигнала подвержена быстрым изме­нениям, например при телефонной связи и звуковом радиовеща­нии частота модуляции составляет 50... 5000 Гц. Замирания сиг­нала в основном медленные, обычно частота замираний 0,1... ... 10 Гц. Напряжение Е_д на выходе детектора АРУ содержит по­лезную и вредную из-за замираний сигнала составляющие. Напря­жение Е_рег на выходе фильтра АРУ определяется только вредной составляющей напряжения Е_д.

В качестве фильтра используют обычно простую цепь R_фС_ф. Если АРУ осуществляется в нескольких регулируемых каскадах усиления, то ставят не один, а несколько фильтров.

Искажения AM сигнала в усилителе с АРУ. В реальных це­пях АРУ фильтр не полностью подавляет составляющие частоты модуляции напряжения на выходе детектора АРУ. Это приводит к искажениям сигнала. Для пояснения процесса возникновения искажений положим вначале, что цепь АРУ идеальна, а на входе регулируемого усилителя действует AM колебание с модуляцией одним тоном частоты F; тогда огибающая этого AM колебания U_BX = U_H(1 + mcosΩt), где т — коэффициент модуляции; Ω = 2nF— угловая частота модулирующего колебания; U_H — амплитуда несу­щей. При идеальной АРУ цепь регулировки вырабатывает посто­янное напряжение E_рег0, при котором коэффициент усиления уси­лителя K₀=S_pегE_per, где S_рег — крутизна регулировочной характе­ристики. Тогда при идеальной цепи АРУ огибающая выходного напряжения

В реальной цепи АРУ фильтр не полностью подавляет состав­ляющие частоты модуляции, к тому же вносит определенный фазо­вый сдвиг φ, с учетом этого напряжение регулировки , где т'Е_рег — амплитуда составляющей частоты F на выходе фильтра АРУ. Предположим, что зависимость коэффициента усиления усилителя от E_рег— линейная с крутиз­ной S_peг регулировочной характеристики. При этом коэффициент усиления регулируемого усилителя будет меняться по закону и огибающая напряжения на выходе регулируемого усилителя . Произведя преобразования, получим

. (9.2)

Сравнивая (9.1) и (9.2), отмечаем, что напряжение U_ВЫХ при неидеальном фильтре АРУ отличается от U_ВЫХ при идеальном, что обусловливает появление искажений сигнала. Эти искажения про­являются в следующем: 1) изменение коэффициента усиления с частотой модуляции приводит к изменению коэффициента модуля­ции сигнала, при φ = 0 и отрицательной S_per глубина модуляции сигнала уменьшается; 2) напряжение на выходе усилителя оказы­вается промодулированным не только тоном с частотой F, но и его второй гармоникой с частотой 2F, что приводит к нелинейным искажениям закона модуляции. Эти искажения тем больше, чем больше произведение S_регm', при S_регm' = 0 искажения отсутствуют.

АРУ приемников импульсных сигналов (рис. 9.8). Для АРУ таких приемников характерны две особенности. 1. Импульс­ный сигнал детектируется дважды: вначале детектором радиоим­пульсов (Д_ри), а затем пиковым детектором (Д_п). Детекторы не­обходимы не только для нормальной работы АРУ, но и для детек­тирования сигнала в самом приемнике. Чтобы не ставить два де­тектора (в цепь сигнала и в цепь АРУ), детектор радиоимпульсов часто делают общим. Общим может быть и видеоусилитель (ВУ). 2. В интервалах между полезными импульсами могут возникать различные помехи; при импульсной многоканальной связи между импульсами данного канала действуют импульсы других каналов. В этом случае АРУ реагирует на все импульсы, а не только на те, которые должны быть выделены. Для устранения этого недостатка цепь АРУ открывают только на время действия полезных импуль­сов, т. е. применяют стробирование. Для этого один из каскадов цепи АРУ (обычно видеоусилитель) делают стробируемым, кото­рый открывается стробирующим импульсом (СИ) на время дейст­вия полезного импульса.

Быстродействующая АРУ. Такая АРУ служит для устранения перегрузки усилителя при действии мощной помехи. Для этой цели усилитель выполняется с переменным смещением; при мощной по­мехе цепь АРУ вырабатывает напряжение E_рег, смещающее рабо­чую точку транзистора усилителя влево (отрицательное смещение на УЭ возрастает). При этом усилитель не перегружается и инфор­мация об импульсном сигнале не теряется. Отличительная особен­ность БАРУ — высокая скорость ее срабатывания при мощной по­мехе; цепь БАРУ инерционна для сигнала и срабатывает только от помехи. Постоянная времени фильтра БАРУ во много раз мень­ше постоянной времени фильтра АРУ.

Переходный процесс в системе обратной АРУ. Проанализируем: поведение во времени усилителя с обратной АРУ при изменении за счет замираний амплитуды U_BX. Предположим, что U_BX скачком возросло, при этом в первый момент (при предположении безынер­ционности усилителя) U_ВЫХ также скачком возрастет, что приведет к скачкообразному увеличению напряжения на входе цепи АРУ. Из-за наличия в цепи АРУ инерционных элементов — фильтра де­тектора АРУ (который обычно мало инерционен по сравнению с ФНЧ) и ФНЧ Е_рег не изменяется скачком, а начинает постепенно нарастать, что приводит к уменьшению K₀ усилителя. Это в свою очередь вызывает уменьшение U_ВЫХ и соответственно изменение за­конов нарастания Е_рег и уменьшения K₀; как следствие, характер уменьшения U_ВЫХ становится сложным. В усилителе с АРУ возни­кает переходный процесс, и прежде чем напряжение U_ВЫХ на его выходе установится, проходит определенное время.

Закон изменения U_ВЫХ в процессе установления, который может быть апериодическим либо колебательным, зависит от типа ФНЧ в цепи АРУ. Если ФНЧ — однозвенный R_фС_ф-фильтр, то U_ВЫХ бу­дет устанавливаться по экспоненциальному апериодическому зако­ну с , где , ΔU_ВХ и ΔK₀ — приращение входного напряжения и соответственно вызы­ваемое им приращение коэффициента усиления регулируемого уси­лителя. В этом случае говорят о системе АРУ первого порядка. Если ФНЧ — двух- или трехзвенный, то его переходный процесс носит колебательный характер, что нарушает нормальный прием сигнала.

Литература: Н. Н. Фомин, “Радиоприемные устройства”, Издате6льство «Радио и связь», Москва, 1996.

7