
- •Лекция №17 Тема: Регулировки в радиоприемных устройствах
- •Содержание лекции
- •1 Автоматическая подстройка частоты (апч), назначение, принцип действия и классификация
- •2 Структурные схемы и характеристики чап и фап. Особенности апч дискретных (цифровых) сигналов
- •3 Регулировка коэффициента усиления приемника
Лекция №17 Тема: Регулировки в радиоприемных устройствах
Цель:
изучить назначение, принцип действия, структурные схемы автоматических регулировок частоты, усиления и полосы пропускания.
Вопросы:
1. Автоматическая подстройка частоты (АПЧ), принцип действия и классификация.
2. Структурные схемы и характеристики частотной и фазовой автоподстройки частоты. Особенности АПЧ дискретных (цифровых) сигналов.
3. Регулировки коэффициента усиления приемника и полосы пропускания.
Мaтepиaльнoe обеспечение: проектор, рисунки 18.1 - 18.17.
Литература: [2] - стр. 237 - 260.
Содержание лекции
1 Автоматическая подстройка частоты (апч), назначение, принцип действия и классификация
Случайные отклонения
принимаемого сигнала
и гетеродина
от расчетных значений
и
приводят к эквивалентной нестабильности
промежуточной частоты
(см. рисунок 18.1).
Рисунок 18.1
Для устранения возможных при этом искажений и потерь сигнала расширяют полосу пропускания УПЧ, но это может привести к ухудшению чувствительности и помехоустойчивости РПрУ.
Рисунок 18.2
На рисунке 18.2
показан случай, когда одновременно
нестабильны
и
,
a
также - диапазон изменения
в самых неблагоприятных условиях, т.е.
,
где
и
- максимальные абсолютные нестабильности
частот гетеродина и сигнала.
Полоса пропускания приемника должна быть такой, чтобы при максимальной нестабильности промежуточной частоты спектр полезного сигнала не выходил бы за ее пределы.
Так как величины
и
статистически независимые, то требуемое
приращение полосы, учитывающее эти
нестабильности, определяется так:
.
Результирующая полоса пропускания РПрУ в этом случае рассчитывается по формуле:
,
где
- полоса частот, занимаемая спектром
полезного сигнала;
- доплеровское
смещение частоты.
Если
,
то в приемнике необходимо применять
АПЧ.
АПЧ предназначена
для удержания промежуточной частоты
вблизи расчетного значения с целью
уменьшения полосы пропускания до
величины, соответствующей спектру
полезного сигнала
.
На рисунке 18.3 -
структурная схема АПЧ. Предположим, что
отклонения частоты сигнала
или гетеродина
приводят к изменению
на величину
.
Схема АПЧ должна так изменить частоту
гетеродина, чтобы
.
Элементы схемы
АПЧ образуют кольцо АПЧ. Измерительный
элемент преобразует величину
в постоянное напряжение
.
ФНЧ очищает это напряжение от
высокочастотных шумов приемника.
Рисунок 18.3
С выхода ФНЧ
напряжение
воздействует на управитель, который
и изменяет частоту гетеродина на величину
,
так чтобы
.
В зависимости от типа измерительного элемента схемы АПЧ классифицируют на: а) схемы с частотной автоподстройкой частоты (ЧАП);
б) схемы с фазовой автоподстройкой частоты (ФАП).
В первом случае в качестве измерительного элемента используется частотный детектор (ЧД). Во втором случае - фазовый детектор (ФД).
2 Структурные схемы и характеристики чап и фап. Особенности апч дискретных (цифровых) сигналов
На рисунке 18.4 -
структурная схема ЧАП. Допустим, что
отклонение
на величину
вызвано случайным скачкообразным
изменениям частоты гетеродина в момент
на величину
.
Тогда
,
где
- коэффициент передачи смесителя.
Рисунок 18.4
Напряжение на выходе ЧД равно:
;
,
где
- крутизна ДХ ЧД (рисунок 18.5).
Рисунок 18.5
Напряжение на выходе ФНЧ равно:
,
где
- коэффициент передачи ФНЧ.
Управитель изменяет частоту гетеродина в соответствии с выражением:
;
,
где
- крутизна характеристики управителя,
(рисунок 18.6). Она является обратной по
отношению к ДХ ЧД.
Рисунок 18.6
В установившемся режиме в идеальном случае должно выполниться условие:
.
Однако, как
показывает анализ характеристик схемы
ЧАП, при любых
схема в принципе не может работать
без ошибки, т.е. всегда будет существовать
некоторая остаточная расстройка
промежуточной частоты
.
Для характеристики
схем АПЧ вводят понятие коэффициента
автоподстройки
,
который равен:
,
где
.
С учетом этого
коэффициента можно записать для
установившегося режима (т.е. при
):
.
Поэтому
.
Коэффициент
показывает, во сколько раз остаточная
расстройка меньше начальной.
На рисунке 18.7
изображена идеализированная АЧХ УПЧ и
ДХ ЧД. Приемник принимает сигнал,
если при работе ЧАП остаточная расстройка
не превышает величину
,
соответствующую границе полосы
пропускания приемника.
Рисунок 18.7
На рисунке 18.8 - регулировочная характеристика ЧАП. Когда схема ЧАП не работает, то
.
Рисунок 18.8
Эту связь отражает
прямая А, проведенная под углом
к осям. При работе ЧАП имеем:
.
Прямая, отражающая
эту зависимость, обозначена Б и проведена
под углом
к оси абсцисс.
Поэтому сначала (при больших начальных расстройках) регулировочная характеристика совпадает с прямой А до точки «захвата» сигнала, где
.
В этой точке сигнал попадает в полосу пропускания УПЧ. После этого характеристика совпадает с прямой Б.
Если проследить работу системы от малых начальных расстроек к большим, то характеристика будет сначала совпадать с прямой Б до точки «потери» сигнала, в которой
.
Приемник в этой точке теряет сигнал и схема ЧАП перестает работать. После этого характеристика совпадает с прямой А. Аналогичные рассуждения можно провести для области отрицательных начальных расстроек. Таким образом, регулировочная характеристика имеет своеобразный гистерезис, оцениваемый полосой захвата и полосой удержания.
Полоса захвата - область начальных расстроек, в которой обеспечивается вхождение «в связь» (в режим регулирования) схемы ЧАП.
Полоса удержания - область начальных расстроек, в которой обеспечивается регулирование после вхождения «в связь».
На основании рисунка 18.8 имеем:
;
;
;
Тогда
;
.
Выводы:
1) Чем больше
,
тем больше полоса удержания и больше
допустимая не- стабильность частот
сигнала и гетеродина.
2) За счет схемы ЧАП можно сузить полосу пропускания РПрУ до величины
.
3) Приемник с ЧАП должен содержать схему поиска сигнала по частоте.
На рисунке 18.9 - структурная схема ФАП. Она отличается тем, что в качестве измерительного элемента используется ФД.
Рисунок 18.9
Входным воздействием
для ФД является изменение фазы
,
обусловленное изменением промежуточной
частоты, т.е.
,
откуда следует,
что при достаточно большом
даже очень малое значение
может привести к сколь угодно большому
значению
на входе ФД.
Напряжение на выходе ФД будет:
;
,
тогда
.
Напряжение на
выходе ФД будет равно
только тогда, когда
,
т.е. управляющее напряжение формируется
до тех пор, пока промежуточная частота
ни сравняется с расчетным значением.
В этом - коренное отличие ФАП от ЧАП.
Схема ФАП имеет
,
равный
,
а полоса пропускания РПрУ будет:
.
На рисунке 18.10 - регулировочная характеристика ФАП.
Рисунок 18.10
В полосе захвата и полосе удержания остаточная расстройка промежуточной частоты равна нулю.
Выводы:
-
Схема ФАП отрабатывает начальную расстройку промежуточной частоты без ошибки с точностью до фазы.
-
При наличии ФАП уходы частот сигнала и гетеродина не влияют на промежуточную частоту.
-
При наличии ФАП
.
При приеме дискретных (цифровых) сигналов на выходе ЧД образуются видеоимпульсы. Использовать их для подстройки частоты гетеродина нельзя из - за ограниченного быстродействия схемы АПЧ. Поэтому особенностью схемы в этом случае является наличие пикового детектора, (см. рисунок 18.11).
Рисунок 18.11
Пиковый детектор преобразует отдельные видеоимпульсы в непрерывно меняющееся напряжение, как показано на рисунке 18.12. Благодаря пиковому детектору управление частотой гетеродина осуществляется и в паузах между входными импульсами.
Рисунок 18.12