13

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:

1. Схема ФАП отрабатывает начальную расстройку промежуточной частоты без ошибки с точностью до фазы.

2. При наличии ФАП уходы частот сигнала и гетеродина не влияют на промежуточную частоту.

3. 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