9.4. Автоматическая регулировка полосы пропускания
В реальных условиях РПрУ работают при наличии помех, которые складываются из собственных (внутренних) шумов приёмника и внешних помех. Важнейшей характеристикой этих условий служит отношение мощности полезного сигнала к суммарной мощности внешних и внутренних помех. Это отношение обозначается в литературе в виде дроби: UС / UШ или PС / PШ.
Иногда это отношение обозначается как «сигнал / шум» или «сигнал / помеха». Всегда стремятся иметь это отношение достаточно большим. Отношение сигнал / помеха на выходе РПрУ при заданных значениях сигнала и помехи на входе зависит от его полосы пропускания.
Существует оптимальное значение полосы пропускания приёмника, при котором отношение сигнал / помеха будет максимальным. Кроме того, от полосы пропускания часто зависит степень мешающего действия станций соседних частотных каналов. Ширина оптимальной полосы пропускания зависит от амплитуд сигнала и помехи на входе, а также ширины их спектров. Поскольку эти параметры при эксплуатации РПрУ не сохраняются постоянными, то желательно иметь возможность регулировки ширины полосы пропускания в зависимости от условий приёма. В РПрУ, как правило, применяется автоматическая регулировка полосы пропускания (АРПП), которая устанавливает оптимальную полосу пропускания, что позволяет РПрУ воспроизводить сообщение с наилучшим качеством.
Для реализации систем АРПП так же, как и для систем АРУ, необходимо сформировать регулирующее напряжение. В диапазоне ДВ и СВ в качестве управляющего напряжения можно использовать напряжение с выхода детектора АРУ. При этом должно выполняться условие, при котором с увеличением уровня принимаемого сигнала происходит расширение полосы пропускания. В диапазонах КВ и УКВ при малом уровне помех выполнение данного условия нецелесообразно, поэтому в этих диапазонах в качестве управляющего напряжения выбирают мешающий сигнал.
Чаще всего применяют метод регулировки усиления, основанный на изменении полосы пропускания одиночных контуров или двухконтурных ПФ. Полоса пропускания в них регулируется изменением добротности (рис.9.5), коэффициента связи или посредством взаимной расстройки контуров. Для фильтров системы АРПП характерно непостоянство коэффициента передачи, частоты настройки и формы АЧХ. Схемы АРПП с применением несложных фильтров применяются в телевизионных РПрУ.
В бытовых РПрУ применяется метод АРПП, использующий ООС в усилителях (рис.9.7), что обеспечивает постоянство частоты настройки и коэффициента усиления, а также сохранение формы АЧХ.
9.5. Автоматическая подстройка частоты гетеродина
Автоматическая подстройка частоты (АПЧ) должна обеспечить требуемую точность настройки приёмника при воздействии на него дестабилизирующих факторов. Случайные изменения частоты гетеродина (fГ) приводят к изменениям промежуточной частоты fПР = |fГ – fС|. Поэтому задача АПЧ сводится к подстройке частоты гетеродина для обеспечения точного соответствия частоты fПР частоте, на которую настроен тракт УПЧ. Система АПЧ позволяет осуществить коррекцию неточности первоначальной установки частоты приёмника и уменьшить расстройку, возникающую в процессе приёма сигнала за счёт нестабильности гетеродина приёмника и частоты передатчика. При этом приёмник может иметь более узкую полосу пропускания и нет необходимости следить за настройкой приёмника на частоту сигнала. Система АПЧ, кроме элементов основного тракта усиления приёмника, содержит дополнительные элементы – дискриминатор и регулятор (управитель). Дискриминатор предназначен для определения величины и знака ухода частоты от её номинального значения. Управитель обеспечивает необходимое изменение частоты гетеродина. Системы АПЧ радиоприёмных устройств подразделяются на две большие группы: системы АПЧ, работающие по принципу стабилизации промежуточной частоты приёмника, и системы АПЧ, работающие по принципу стабилизации частоты гетеродина. Пример первой системы показан на рис.9.8.
Рис.9.8. Структурная схема системы АПЧ:
1 – смеситель сигнала; 2 – гетеродин; 3 – управитель;
4 – дискриминатор; 5 – УПЧ
Усиленное напряжение поступает на дискриминатор 4. В случае отклонения промежуточной частоты от номинального значения на выходе дискриминатора вырабатывается управляющее напряжение. Оно воздействует на управитель 3, который меняет частоту гетеродина 2 таким образом, чтобы сохранить номинальное значение промежуточной частоты. В этой системе АПЧ происходит стабилизация промежуточной частоты независимо от причины её изменения.
Примером второй системы является схема, приведенная на рис.9.9, в которой цепью регулирования охватывается только гетеродин и стабилизируется только его частота:
Рис.9.9. Система АПЧ со стабилизацией частоты гетеродина
По типу дискриминатора различаются два вида системы АПЧ: частотная и фазовая. В системе частотной АПЧ (ЧАПЧ) применяется частотный дискриминатор, реагирующий на изменение частоты входного напряжения и вырабатывающий управляющее напряжение, величина и знак которого определяются величиной и знаком ухода частоты. Структурная схема ЧАПЧ показана на рис.9.10.
Рис.9.10. Структурная схема частотной АПЧ
В системе фазовой АПЧ (ФАПЧ), структурная схема которой показана на рис.9.11, используется фазовый дискриминатор, который сравнивает фазы напряжения опорного генератора и напряжения сигнала промежуточной частоты:
Рис.9.11. Структурная схема фазовой АПЧ
Фазовый дискриминатор вырабатывает управляющее напряжение, величина и знак которого зависят от разности фаз сравниваемых напряжений.
На рис. 9.12 приведены характеристики частотного и фазового дискриминаторов.
а) б)
Рис.9.12. Характеристики дискриминаторов:
а – частотного; б – фазового
Уход частоты и фазы отсчитывается от некоторого исходного состояния, при котором UУПР = 0. Для частотного дискриминатора UУПР = 0 при Δf = 0,
а для фазового – при Δφ = π / 2. Выработанное дискриминатором напряжение воздействует на управитель, который изменяет частоту гетеродина так, чтобы свести к минимуму расхождение частоты сигнала и настройки приёмника.
В современных РПрУ используются в основном электронные схемы управителей (варикапы, обычные диоды при обратном смещении, ёмкости переходов транзисторов).
Рассмотрим более подробно принципы работы систем АПЧ. На рис.9.10 показана структурная схема ЧАПЧ. Чувствительным (к отклонению промежуточной частоты от номинального значения) элементом служит частотный дискриминатор. На его выходе получается напряжение, амплитуда и полярность которого зависят от величины и знака ухода частоты.
С выхода УПЧ сигнал подаётся к частотному дискриминатору. Полученное при отклонении частоты напряжение с выхода ЧДс через ФНЧ подаётся на управитель, изменяющий частоту гетеродина. ФНЧ пропускает сравнительно низкие частоты колебания частот модуляции.
Если промежуточная частота сигнала равна частоте, на которую настроен ЧДс, то напряжение на его выходе будет равно нулю. Отклонение промежуточной частоты от номинального значения в любую сторону приведёт к появлению напряжения определённой полярности на выходе дискриминатора. Это напряжение воздействует на управляющее устройство (например, варикап), ёмкость перехода которого будет изменяться в соответствующую сторону таким образом, чтобы возникшая расстройка между частотой сигнала и гетеродина была ликвидирована.
Структурная схема ФАПЧ показана на рис.9.11. При расхождении по частоте двух колебаний (опорного с частотой fОП = fПР.0 и поступающего от УПЧ с частотой fПР) между ними возникает изменяющийся сдвиг по фазе. Действительно, напряжение вида
u(t) = U·Cos(ω + Δω)t
можно представить в виде
u(t) = U·Cos(ωt + φ),
где φ = Δωt – изменяющийся фазовый угол.
Если, например, разница по частоте равна 1 Гц, то за одну секунду одно колебание смещается относительно другого на целый период, т.е. угол фазового сдвига изменяется за одну секунду на величину 2π. В случае разницы по частоте 0,1 Гц расхождение на целый период произойдёт за 10 секунд, а за одну секунду фазовый сдвиг изменится на 0,1 периода, т.е. по углу на 36°
и т.д. Если подвести оба колебания к фазовому дискриминатору, то на выходе появится напряжение UФД, которое будет зависеть от фазового сдвига этих двух колебаний и при некоторых его значениях достигает максимума. Фазовый сдвиг, а следовательно, и напряжение на выходе фазового дискриминатора будут достигать значительной величины при сколь угодно малом расхождении по частоте, хотя при этом изменение фазы будет происходить соответственно медленно. Таким образом, ФАПЧ реагирует даже на самые малые расхождения частот, т.е. является очень чувствительной.
Системы цифровой АПЧ гетеродина (ЦАПЧ) позволяют длительное время удерживать неизменной частоту перестраиваемого гетеродина в любой точке настройки. Они могут работать независимо от наличия сигнала, что позволяет применять их в диапазоне КВ при замираниях сигнала.
Структурная схема ЦАПЧ с кварцевой стабилизацией приведена
на рис.9.13.
Рис.9.13. Структурная схема ЦАПЧ с кварцевой стабилизацией
Схема работает следующим образом. Напряжение перестраиваемого гетеродина поступает через формирователь прямоугольных импульсов на первый вход схемы совпадения И. Если на втором входе элемента И действует напряжение логической «1», поступающее с выхода 1 блока синхронизации, то импульсы с выхода формирователя проходят на счётный вход счётчика импульсов. Обнуление счётчика происходит по импульсу с выхода 2 блока синхронизации. Число импульсов, поступающих на счётный вход счётчика за время счёта, прямо пропорционально частоте гетеродина. Схема сравнения сравнивает код числа зафиксированных импульсов с кодом порогового значения, при превышении которого происходит заряд интегрирующей цепи и соответствующая подстройка частоты гетеродина.
Ручная настройка гетеродина осуществляется введением в схему сравнения соответствующего кода порогового уровня при разомкнутой цепи ЦАПЧ. Необходимые управляющие сигналы формируются в блоке синхронизации. Для достижения высокой стабильности частоты гетеродина необходима кварцевая стабилизация таймера в блоке синхронизации.
Контрольные вопросы:
Для чего служит система АРУ в приёмнике? Какие типы АРУ применяются в РПрУ?
Начертите структурную схему обратной АРУ и объясните принцип её работы.
Начертите структурную схему прямой АРУ и объясните принцип её работы.
Начертите структурную схему комбинированной АРУ и объясните принцип её работы.
Почему автоматической регулировке усиления подвергаются первые каскады тракта усиления приёмника?
Объясните принцип режимной регулировки, используемой в каскадах усиления приёмника.
Объясните принцип регулировки усиления с помощью изменения эквивалентного сопротивления нагруженного контура. Достоинства и недостатки этого способа регулировки.
Как осуществляется регулировка усиления с помощью ООС?
Для чего применяется автоматическая регулировка полосы пропускания приёмника?
Для чего необходима система АПЧ в РПрУ? Начертите общую структурную схему системы АПЧ и объясните принцип её работы.
Начертите структурную схему системы ЧАПЧ и объясните принцип её работы.
Начертите структурную схему системы ФАПЧ и объясните принцип её работы.
Объясните, почему система ФАПЧ более чувствительна, чем система ФАПЧ.