Глава 8
автоматическая регулировка усиления
§ 8.1. Принципы автоматической регулировки усиления. Разновидности систем ару
Автоматическая регулировка усиления предназначена для поддержания уровня выходного сигнала приемного устройства или усилителя вблизи некоторого номинального значения при изменении уровня входного сигнала. Автоматическое выполнение этой функции необходимо потому, что изменения уровня входного сигнала могут происходить хаотически и достаточно быстро. Ручная регулировка усиления используется лишь для установки уровня выходного сигнала, который должен поддерживаться системой АРУ.
Имеется много причин, из-за которых уровень входного сигнала непрерывно изменяется: изменение рас-
стояния между источником излучения и приемным устройством; изменение условий распространения радиоволн; интерференция радиоволн, пришедших в точку приема по разным путям; перестройка приемника с одной станции на другую; изменение взаимонаправленности приемной и передающей антенн и т. д. В радиолокации к этим причинам добавляются флуктуации эффективной отражающей поверхности цели, смена целей с различными эффективными поверхностями, случайные изменения поляризации принимаемых радиоволн и т. д.
В радиосвязи напряжение сигнала на входе приемника может изменяться в 103 раз, а радиолокации — в 10е раз (соответственно на 60 и 100 дБ). Выходное напряжение приемника при этом не должно изменяться более чем в 1,2-3 раза (на 1,6.....9,6 дЬ). Это
требование диктуется как Допустимы ми искажениями информационной составляющей сигнала в тракте приемного устройства, так и отсутствием перегрузок его каскадов, могущих привести к длительным потерям чувствительности. При этом сама система АРУ не должна вызывать чрезмерных искажений огибающей сигнала или приводить к появлению паразитной амплитудной модуляции сигнала, т. е. система АРУ должна быть устойчивой.
В идеальном случае выходное напряжение приемника (усилителя) должно оставаться неизменным после достижения некоторого значения U'bu* тп,» обеспечивающего нормальную работу оконечного прибора. Это значит, что коэффициент усиления должен изменяться по закону
(8.1)
Реальные системы АРУ соответствуют этому соотношению с большим или меньшим приближением.
Системы АРУ могут быть обратными и прямыми. Обратные системы АРУ являются системами с обратной связью — в них точка съема напряжения для формирования регулирующего воздействия расположена дальше от входа приемника, чем точка приложения регулирующего воздействия. Иначе говоря, это системы с регулировкой «назад». В прямых системах АРУ точка съема напряжения для запуска схемы АРУ расположена ближе к входу приемника, чем точка приложения регулирующего воздействия. Эти системы не образуют петли обратной связи и являются системами с регулировкой «вперед». Каждая из этих систем обладает достоинствами и недостатками.
Обратные системы АРУ не могут Дать полного постоянства выходного напряжения, так как оно является входным для системы АРУ и должно содержать информацию для соответствующего изменения регулирующего воздействия. Кроме того, они не мо-
гут обеспечить одновременно большу глубину регулирования (t/BbIX ; « const) и высокое быстродействг по соображениям устойчивости. О, нако эти системы защищают от пер грузок все каскады приемника, ра> положенные дальше от входа, че точка приложения регулирующе) воздействия, а сами цепи АРУ н ходятся под воздействием сигнала i сжатым динамическим диапазоном также не подвержены перегрузкам.
Прямые системы АРУ принцип ально могут обеспечить идеальное р гулирование, т. е. UBblx = const nf
tV„bix > Uubix mln. И СКОЛЬ уГ0Д1
высокое быстродействие. Однако пра тически это не достигается, так к; степень постоянства выходного напр жения обусловлена конкретными да ными элементов цепи АРУ и цеп приемного устройства, подверженн! технологическим разбросам, време ным и режимным изменениям. Це АРУ защищает от перегрузок толь те каскады, которые расположе! дальше точки приложения регул рующего воздействия, и сама на> дится под воздействием сигнала с ш роким динамическим диапазоном, т. подвержена перегрузкам и должна с держать внутренние обратные систеи АРУ. Вг этом случае система AF практически превращается в отдел ный канал приемного устройства, менее сложный, чем его основной * нал.
Все эти причины приводят к тон что в настоящее время большее р пространение получили обратные с темы АРУ. Очевидно, лучшие резу. таты может дать применение комбш рованной системы АРУ, включаюи в себя цепи обратной и прямой АР? превалирующим влиянием обратг цепи АРУ. Функциональная схема кой комбинированной системы А1 приведена на рис. 8.1.
Обратная система АРУ образус ся детектором АРУ Дару,, фил ром 4>! и всеми каскадами основн тр акта, расположенными между т кой ввода регулирующего напряз
ния Upj и выходом блока высокой частоты (БВЧ).
В прямую систему АРУ входят детектор Дару., фильтр Ф2 и усилитель постоянного напряжения Уару,- Регулирующее напряжение ир2 вводится в БВЧ и в усилитель низкой частоты— УНЧ (последнее не обязательно и используется редко). Фильтры Фу, Фг придают цепям АРУ необходимую инерционность, обусловленную как соображениями устойчивости (АРУ,), так и отсутствия демодуляции АМ-сигнала (АРУ,, АРУ2). Роль фильтров Фу и Ф2 могут играть нагрузочные цепи соответствующих детекторов. Регулирующие напряжения «р, и «р2 содержат составляющие, изменяющиеся с частотами паразитной амплитудной модуляции входного сигнала, обусловленной перечисленными ранее причинами, но не содержат составляющих, изменяющихся с частотой полезной модуляции. Эти составляющие беспрепятственно проходят через основной тракт радиоприемного устройства, выделяются детектором Д и усиливаются усилителем низкой частоты, образуя выходное напряжение приемника с/выхНч- Обычно нет необходимости снижать усиление слабых сигналов Uвх < Uвх rnln, не создающих перегрузок приемника и не обеспечивающих номинального выходного напряжения даже при максимальном усилении БВЧ и УНЧ. Для придания цепям APN пороговых свойств, г. е. включения их только при определенной амплитуде сигнала, цепи АРУ запирают принудительным смещением и отпирают только после то-
го, как напряжение сигнала превысит напряжение запирания. Обычно напряжение запирания («задержки») подается на детекторы или усилители АРУ. На рис. 8.1 это напряжения £31 и £32. Подобные системы АРУ называются задержанными. Задержка может быть введена по с р е д н е-му значению сигнала или п о максимуму. Если постоянная времени нагрузочной цепи, Дару, меньше периода повторения импульсов (при импульсном сигнале) и диод Дару, заперт напряжением задержки ЕЗу, то при £УВых < Е31 система АРУ будет разомкнута. При (Увых > £31 диод Ддру, отпирается каждым импульсом, удовлетворяющим этому условию, и после фильтрации в фильтре 01 вырабатывается регулирующее напряжение Upj, пропорциональное амплитуде максимального импульса. Это система АРУ по максимуму сигнала, которая стремится поддержать постоянным максимальное значение выходного напряжения.
В системе АРУ2 напряжением задержки £32 заперт усилитель постоянного напряжения У ару,- Он откроется только тогда, когда выпрямленное и профильтрованное фильтром Ф2 напряжение превысит £32. Это напряжение пропорционально среднему значению входного сигнала. Таким образом создается система АРУ по среднему значению, стремящаяся поддержать неизменным среднее значение выходного напряжения. На рис. 8.1 в цепи АРУ1 нет специального усилителя ни в цепях высокой частоты, ни на постоянном токе. Это н е-усиленная система АРУ. Система АРУ2 — усиленная, так как содержит усилитель Уару,, усиливающий сигнал в цепи АРУ2 (регулирующее напряжение). Усиленные системы АРУ обладают большей глубиной регулирования и способны обеспечивать меньший динамический диапазон выходного сигнала.
Из принципа действия системы АРУ следует, что при слабом сигнале коэффициент усиления приемника максимален. При этом на выходе
прослушиваются шумы, создаваемые внешними помехами и собственными флуктуацнонными процессами в каскадах радиоприемного устройства. В некоторых случаях это нежелательно и тогда используется бесшумная система АРУ (рис. 8.2). Автогенератор Г генерирует колебания достаточно высокой частоты, находящейся вне пределов полосы пропускания УНЧ. Эти колебания детектируются детектором Дг и выпрямленное напряжение запирает один из каскадов УНЧ. С появлением сигнала при условии Увьи > Ея замыкается система АРУ и начинает вырабатываться напряжение ир, которое прикладывается к электродам активного прибора генератора Г и срывает его колебания. При этом снимается напряжение, запирающее УНЧ, и сигнал начинает поступать на выход.
В обзорных радиолокационных станциях уровень внешних шумов может сильно изменяться в зависимости от направления антенны РЛС. Для выравнивания уровня выходных шумов в приемниках используются «АРУ по шумам», или «шумовые АРУ» (ШАРУ). При этом регулирующее напряжение вырабатывается благодаря детектированию шумов в детекторе ШАРУ. Быстродействие системы ШАРУ должно быть согласовано с темпом обзора так, чтобы система ШАРУ успевала отрабатывать изменение уровня шумового фона.
В приемниках обзорных РЛС для уменьшения маскирующего действия отражений от Земли и местных предметов, а также для того, чтобы цели с одинаковой эффективной поверхностью рассеивания выглядели на экране РЛС одинаково независимо от расстояния, применяют так называемую временную регулировку усиления (ВРУ). Ее функциональная схема приведена на рис. 8.3. Пусковой импульс у от модулятора РЛС, генерируемый одновременно с зондирующим импульсом, запускает генератор регулирующего напряжения (ГРН). В начальный момент времени напряжение Up вообще может запирать прием-
Рис. 8.2
ный тракт, осуществляя «бланкирование» приемника. Затем по мере уменьшения Up усиление приемника увеличивается, доходя до максимально возможного. Таким образом усиление оказывается связанным с дальностью. Определенная форма и скорость изменения ир (t) устанавливаются в зависимости от конкретных условий. Система ВРУ является автономной, не связанной с интенсивностью входного сигнала в каждый данный момент времени .
По степени быстродействия различают инерционные АРУ и быстродействующие АРУ (БАРУ). Степень быстродействия определяется относительно скорости изменения интенсивности сигнала. Высокое быстродействие не позволяет получить большой глубины регулирования по соображениям устойчивости (см. далее), поэтому для достижения общей большой глубины регулирования приходится применять несколько последовательных петель БАРУ (рис. 8.4), причем чаще всего одна петля охватывает всего один усилительный каскад.
В последнее время для управления РЛС и обработки радиолокационной
& Зак.
Рис. 8.4
Информации широко применяют ЦВМ. Их можно использовать и для Создания цифровой АР У (ЦАРУ). Она имеет ряд преимуществ перед обычными аналоговыми системами — Независимость длительности процесса Установления требуемого усиления от Уровня входного сигнала; независимость регулировочных характеристик От разбросов и конкретных свойств цепи АРУ и регулируемого усилителя (при полностью цифровом выполнении); возможность установления требуемого усиления после приема первого импульса от сопровождаемой це-ти; астатизм и сохранение установленного усиления при перерывах в приеме сигнала.
Построение обратной системы ЦАРУ иллюстрируется функциональной схемой рис. 8.5. Выходное напряжение видеоусилителя преобразуется в двоичный код в преобразователе Напряжение — код (ПНК). Код выгодного напряжения JVBblx сравнивается с эталонным кодом ^, в схеме Сравнения кодов (ССК), в результате Чего образуется код рассогласования Заметим, что ССК — не что иное, Нак цифровое пороговое устройство, а ^талонный код — цифровой аналог Напряжения задержки. В результате Поразрядного усреднения в схеме усреднения и запоминания (СУЗ) (цифровой аналог фильтра обычной АРУ)
вырабатывается код регулирования. Код регулирования управляет регулируемыми элементами с дискретной двоичной регулировкой. Число таких элементов равно числу разрядов кода регулирования и в зависимости от наличия в данном разряде Np нуля или единицы сответствующий элемент регулирования имеет минимальный или максимальный коэффициент передачи. В схеме рис. 8.5 полагается, что этими регулируемыми элементами являются каскады УПЧ с дискретной регулировкой (УПЧДР). Перепад коэффициента передачи элемента, соответствующего данному разряду, сопряжен со старшинством разряда. Приведем пример.
Пусть число регулируемых элементов п = 6 и соответственно код регулирования — шестиразрядный. Максимальное значение шестиразрядного двоичного кода Np max == 25 4-+ 24 4- 23 + 22 4- 2 + 1 = 63 (JVP « = fl„_, 2"--1 + ап_, 2"-2 4 ... ... 4- а„_; 2»-'4- ... + а£1 4 а02°, где aj = 0 или 1). Пусть общий динамический диапазон регулировки усиления Gp 126 дБ. Тогда цена младшего разряда т — GPINP max" = 126/63 = 2 дБ. Для i-ro регулируемого элемента перепад усиления Gpi = m2"-' дБ. Таким образом, регулируемые элементы должны давать следующие перепады усиления (см. табл. 8.1).
Таблица 8.1
1 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
в |
Итого |
Gpi, дБ |
64 |
32 |
16 |
8 |
4 |
2 |
126 |
Цена младшего разряда определяет достижимую точность регулирования при идеальной работе всех прочих элементов схемы. В принципе можно иметь сколь угодно высокую точность работы ЦАРУ, так как цифровая схема запоминания Л/р является идеальным интегратором и обеспечивает системе свойство астатизма.
Рассмотрим коротко особенности амплитудных характеристик регулируемого усилителя при действии АРУ (рис. 8.6). Если система АРУ отсутствует (кривая /), то, начиная с некоторого значения t7Bblx-u, появляется перегрузка усилителя и его способность передавать приращения напряжения Uвх теряется. При этом амплитудная модуляция входного напряжения искажается или устраняется совсем.
При наличии незадержанной системы АРУ (кривая 2) коэффициент усиления начинает уменьшаться с появлением напряжения UBX, однако искривление амплитудной характеристики еще не свидетельствует об искажении АМ-сигнала, если система АРУ инерционна. Изображенные на рис. 8.6 амплитудные характеристики являются статическими и сняты при медленном изменении напряжения Uвх, т. е. при замкнутой системе АРУ. Инерционная система АРУ не замыкается для составляющих полезной модуляции и поэтому, защищая усилитель от перегрузки, способствует неискаженному воспроизведению этой полезной модуляции сигнала на выходе. При наличии задержанной (или усиленно-задержанной) системы АРУ (кривая 3) коэффициент усиления слабых' сигналов (UBX < U4X та) не снижается и амплитудные характеристики усилителя без АРУ и с АРУ совпадают при условии U ах <: U„у mln. Начиная с некоторого значения
UUXII ару, сама цепь АРУ начин перегружаться и ее стабилизирующе действие ослабляется.