Лабораторная работа №8 системы фазовой автоподстройки частоты (фапч) в технике связи

Цель работы: Изучить свойства и характеристики системы ФАПЧ.

Задачи работы:

1. Исследовать свойства и характеристики системы ФАПЧ при использовании ее в качестве частотного детектора.

2. Изучить основы формирования гармонических сигналов системой ФАПЧ с дискретным делителем частоты.

Введение

Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) — система автоматического регулирования, подстраивающая частоту управляемого генератора так, чтобы она была равна частоте опорного сигнала. Регулировка осуществляется благодаря наличию отрицательной обратной связи.

Система ФАПЧ реализуются на основе элементарных звеньев, соединенных в структуру с обратной связью. В состав ФАПЧ входят фазовый детектор (ФД), формирующий низкочастотный фильтр (ФНЧ) и генератор гармонических колебаний, управляемый напряжением (ГУН), см. рис. 8.1.

Рисунок 8.1. - Структурная схема ФАПЧ.

Фазовый детектор формирует на своем выходе напряжение, соответствующее разности фаз входного сигнала X_С(t) и сигнала с выхода ГУН X_ГУН(t). В стационарном режиме, когда частоты ω_С и ω_ГУН равны, в системе устанавливается постоянная разность фаз между соответствующими сигналами и выходное напряжение фазового детектора (сигнал рассогласования или сигнал ошибки) постоянно. Данный сигнал используется для управления ГУНом, частота которого зависит линейно от приложенного на вход напряжения. Если выходная частота ГУН отклоняется от частоты входного сигнала, то напряжение рассогласования изменяется, воздействуя на ГУН в сторону уменьшения ошибки.

Между фазовым детектором и ГУНом включается фильтр нижних частот. Пропуская постоянный (либо изменяющийся относительно медленно) сигнал рассогласования, он устраняет из его спектра составляющие побочных частот, присутствующие на выходе фазового детектора, которые, попадая на вход ГУН, вызывают паразитную частотную модуляцию.

Система ФАПЧ может работать в нескольких режимах. Система находится в режиме удержания, если частоты входного сигнала и сигнала ГУН равны. Этот режим, в первую очередь, характеризуется полосой удержания, ширина которой определяется разностью граничных значений частоты ГУН, соответствующих наибольшему и наименьшему значению напряжения на выходах фазового детектора, при которых данный режим возможен. Если же уровень сигнала рассогласования на выходе фазового детектора превышает допустимые границы, определяемые полосой удержания, система находится в режиме биений. В этом случае среднее значение частоты ГУН отличается от частоты входного сигнала. Переходное состояние системы, при котором режим биений переходит с течением времени в режим удержания, называется режимом захвата. Полоса захвата – область начальных расстроек, в которой при любых начальных условиях устанавливается режим удержания.

Как структурное звено каналов связи, система ФАПЧ нашла широкое применение в качестве демодулятора ЧМ и ФМ сигналов, перестраиваемого генератора синусоидального сигнала в составе гетеродинов, нелинейного фильтра и др.

В данной лабораторной работе исследуются свойства системы ФАПЧ, работающей в качестве детектора ЧМ сигнала и дробно-кратного преобразователя частоты (формирователя сетки частот). В первом случае входным сигналом является ЧМ сигнал X_С(t), выходным – низкочастотный сигнал X_упр(t), представляющий восстанавливаемое сообщение и снимаемый с выхода формирующего фильтра.

При использовании ФАПЧ в составе синтезатора частоты гетеродина, входным сигналом является задающее гармоническое колебание X_С(t), выходным – сигнал местного генератора (ГУН) – X_ГУН(t), см. рис. 8.2. Кроме того, в петле обратной связи включается делитель частоты (ДЧ) – устройство, понижающее частоту сигнала, генерируемого ГУН, в целое число раз (К – коэффициент деления). Таким образом, для того, чтобы система находилась в режиме удержания и частоты сигналов на входе фазового детектора были равны, частота сигнала местного генератора (ГУН) должна быть в К раз больше частоты опорного сигнала, подаваемого извне. Путем изменения коэффициента деления K, местный генератор может быть легко перестроен на другую частоту в пределах некоторого диапазона. Шаг перестройки определяется частотой опорного (внешнего) генератора f_оп.

Рисунок 8.2. - Структурная схема синтезатора сетки частот на основе ФАПЧ.

Свойства и характеристики системы ФАПЧ определяются свойствами и характеристиками ее элементов, прежде всего фазовым детектором и формирующим фильтром. Существенное влияние на работу ФАПЧ оказывает передаточная характеристика фазового детектора, тип фильтра, его порядок, коэффициент передачи в петле обратной связи и др. Эти факторы влияют на условия захвата и удержание частоты, на нелинейные искажения при детектировании, на спектральный состав сигнала, генерируемого управляемым генератором.