Глава 10

ФАЗОВАЯ АВТОМАТИЧЕСКАЯ ПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ (ФАПЧ)

§ 10.1. Области применения и принципы работы системы фапч

Системы ФАПЧ широко используются при решении задач радиоприема. В первую очередь к ним относятся: подстройка гетеродина преобразователя частоты в супергетеродинных приемниках, выделение несущей частоты в радиолиниях передачи информации для осуществления когерентного и корреляционного приема, а также цветного и черно-белого телевидения, синхронизация приемного коммутатора каналов радиотелеметрических систем, демодуляции ЧМ- и ФМ-сигналов, измерение частоты с помощью узкополосных следящих фильтров, деление и умножение частоты и др. Такое широкое применение ФАПЧ только в технике радиоприема обусловливает необходимость сведения всех конкретных устройств, выполняющих перечисленные задачи, к типовой структурной схеме системы ФАПЧ, изображенной на рис. 10.1.

Основными элементами системы ФАПЧ являются: фазовый детектор (ФД), фильтр низкой частоты (ФНЧ), управляющий элемент (УЭ) и перестраиваемый (синхронизируемый) генератор (ПГ). На один вход ФД в общем случае поступает смесь полезного сигнала и_с (t) от генератора сигнала (ГС) и аддитивного шума и_ш (t) от генератора шума (ГШ). Здесь под "ш (/) понимается как внешний шум от радиоканала, так и внутренние шумы приемника.

Основное функциональное назначение системы ФАПЧ — отслеживание фазы входного сигнала и,. (/). Для этого на второй вход ФД подается напряжение ПГ и_г (t), а на выходе ФД получается напряжение ыфд (/), зависящее от разности фаз входной смеси и сигнала синхронизируемого генератора. Выходное напряже-

ние ФД фильтруется в ФНЧ с целью удаления шума и других ненужных частотных составляющих и воздействует на УЭ, который изменяет частоту ПГ, приводя ее в соответствие с частотой ГС. В отсутствие шумов в такой замкнутой следящей системе автоматического регулирования устанавливается стационарный режим, при котором частоты ГС и ПГ равны, а разность фаз этих напряжений постоянна. При этом обеспечивается синхронная работа этих двух генераторов, а следовательно, и слежение за фазой сигнала и_с (t).

Подчеркнем основное различие между системами ФАПЧ и ЧАПЧ (см. гл. 9). В системе ЧАПЧ слежение за частотой сигнала осуществляется путем формирования сигнала частотной ошибки между входным сигналом и выходным сигналом ПГ, а в системе ФАПЧ — путем детектирования фазовой ошибки мажду этими сигналами. Следовательно, в системе ФАПЧ отсутствует частотная расстройка между указанными сигналами, что является основным достоинством этой системы.

Режимы работы системы ФАПЧ.

В зависимости от разности средних частот ГС («со) ^и ПГ (со,₀) система ФАПЧ может находиться в различных режимах.

Допустим, что система ФАПЧ находится в режиме синхронизма, т.е. частоты обоих генераторов равны: со,, - о)_го. Если начать медленно изменять частоту со₀, то частота со,, будет следовать за нею. Подобный ре-

жим, при котором система ФАПЧ полностью компенсирует изменения частоты со₀, называется режимом удержания. Полосой удержания ДЙ_У называется такое значение разности частот w„ — о)_го, при котором происходит срыв слежения за частотой со₀, приводящий к потере синхронизма в системе ФАПЧ. Полоса удержания характеризует максимальный статический диапазон слежения (рис. 10.2) и определяется формулой

| AQ_y | /САСфнч(О), (10.1)

где К коэффициент передачи петли обратной связи; Кфпч (0) — передаточная функция ФНЧ по постоянному току.

Когда начальная расстройка генераторов по частоте Д„ = со_ги — о)„ будет больше полосы удержания А12,, в системе ФАПЧ наступит режим биений, для которого характерно неравенство частот ПГ и ГС: со₁₀ Ф w₀. В этом режиме разность фаз обоих генераторов непрерывно возрастает, а напряжение «фд (/) на выходе ФД периодически изменяется. При этом длительности положительных и отрицательных полуволн напряжения биений оказываются разными, что приводит к появлению постоянной составляющей напряжения на выходе ФД, которая изменяет среднюю частоту биений по отношению к начальной расстройке генераторов Л„. В замкнутой системе ФАПЧ средняя частота биений меньше начальной расстройки генераторов Д„. Если же начальная расстройка увеличивается,

то средняя частота асимптотически стремится к А₀ (см. рис. 10.2). При Д„ = AQ_y средняя частота биений равна нулю, т. е. частоты ПГ и ГС становятся одинаковыми и система ФАПЧ переходит в режим захвата. Полосой захвата |ДЯ₃| (рис. 10.2) называется максимальная начальная расстройка генераторов Д„, при которой система ФАПЧ входит в синхронизм, т. е. в режим удержания. Практически полосу захвата определяют по моменту вхождения ГС и ПГ в синхронизм при изменении |Д₀ j от больших значений к малым.

Как следует из рис. 10.2, в замкнутой системе ФАПЧ может быть устойчивое и неустойчивое изменения разности частот Дсо = со₀ — со_г двух генераторов. Устойчивое состояние наступает при изменении начальной расстройки |Д„| от большого значения к малому (сплошная линия), а неустойчивое — наоборот (пунктирная линия). Прямая линия соответствует разомкнутой системе ФАПЧ.

В системах ФАПЧ с реальным ФНЧ полоса захвата всегда меньше полосы удержания (см. рис. 10.2). Это объясняется тем, что любой ФНЧ вносит амплитудные и фазовые искажения. Завал частотной характеристики ФНЧ и временная задержка сигнала в нем приводят к уменьшению постоянной составляющей напряжения и_ф (t) на входе УЭ. Следовательно, повышается частота биений при той же начальной расстройке |Д₀| по сравнению с ФАПЧ первого порядка. Поэтому в системе с реальным ФНЧ частота биений стремится к нулю при |Д„|< |ДЙ_У|'.

Важной характеристикой системы ФАПЧ является время установления в ней указанных режимов работы. В системе ФАПЧ первого порядка время протекания переходных процессов после скачка частоты Д₀ определяется- только широкополосно-стью элементов системы: ФД,. усилителей (если они включаются) и временем запаздывания в них. Все эти элементы имеют малую инерционность, поэтому система ФАПЧ может

входить в синхронизм практически мгновенно. Наличие ФНЧ необходимо в системах, где возможно воздействие шумов или форма синхронизируемых колебаний отличается от гармонической. В этих случаях побочные управляющие воздействия, вырабатываемые ФД, действуя па УЭ, вызывают паразитные отклонения частоты и фазы ПГ. Фильтр служит для ослабления этих помеховых возмущений. Однако чрезмерное увеличение постоянной времени ФНЧ вызывает замедление процессов установления и сужает область втягивания системы ФАПЧ.