Система автоматической подстройки частоты

В супергетеродинном приемнике система АПЧ поддерживает равенство частоты преобразованного сигнала номинальному значению промежуточной частоты. Состав системы частотной автоподстройки приведен на функциональной схеме, изображенной на рис. 17. К основным функциональным узлам или, как принято называть в теории автоматического управления, звеньям системы АПЧ относятся: смеситель, усилитель промежуточной частоты, частотный дискриминатор, фильтр нижних частот и генератор, управляемый напряжением.

3.

Генератор, управляемый напряжением, вырабатывает гармоническое колебание с частотой f _Г, которое подается на смеситель. На второй вход смесителя приходит сигнал с частотой f _С. В результате преобразования частоты образуется сигнал промежуточной частоты f _П, который усиливается в усилителе промежуточной частоты и поступает на вход частотного дискриминатора. ЧД вырабатывает выходное напряжение, пропорциональное величине и знаку частотного рассогласования. Рассогласование Δ f определяется в соответствии с формулой

Δ f = f _П – f _{П НОМ},

где f _П – значение частоты преобразованного сигнала; f _{П НОМ} – номинальное значение промежуточной частоты, равное переходной частоте характеристики частотного дискриминатора. Выработанное частотным дискриминатором напряжение используется для регулировки частоты. Оно проходит фильтр низких частот и поступает на вход регулятора частоты. В результате частота гетеродина f _Г изменяется таким образом, что рассогласование Δ f уменьшается.

Смеситель осуществляет преобразование частоты входного сигнала. По первой гармонике частоты гетеродина следует различать преобразование с

верхней и нижней настройкой гетеродина соответственно по формулам

f _П = f _Г – f _С ;

f _П = f _С – f _Г .

Для работы АПЧ выбор настройки гетеродина имеет принципиальное значение, так как приводит к различному знаку обратной связи: увеличение f _Г при верхней настройке приводит к увеличению f _П, а при нижней настройке – к уменьшению f _П. Поэтому использование нижней настройки эквивалентно введению множителя «минус единица» в цепь обратной связи по частоте.

В отсутствие селективных устройств перед смесителем возможен прием сигнала по основному и зеркальному каналам приема, причем по одному из них настройка гетеродина является верхней, а по другому – нижней; соответственно, при работе системы АПЧ по основному каналу обратная связь является отрицательной, а по зеркальному каналу – положительной. Следовательно, устойчивость АПЧ обеспечивается только при приеме сигнала по основному каналу. При необходимости работы по основному каналу с нижней настройкой гетеродина обеспечивают дополнительную инверсию выходного напряжения ЧД, например, с помощью инвертирующего УПТ.

Усилитель промежуточной частоты обеспечивает требуемый уровень сигнала на входе частотного дискриминатора. При недостаточном усилении уменьшаются амплитуда входного сигнала ЧД, крутизна его характеристики и коэффициент автоподстройки частоты. Для отклонения частоты коэффициент передачи УПЧ определяется его фазовой характеристикой. При анализе фазовую характеристику УПЧ линеаризуют и УПЧ рассматривают как звено чистого запаздывания, характеризуя его временем группового запаздывания сигнала τ_З. Узкополосные УПЧ имеют большое время группового запаздывания, что нарушает устойчивость работы системы АПЧ, приводя к паразитной частотной модуляции сигнала при больших коэффициентах автоподстройки.

U В

Δ U В

f

f 0

A

Частотный дискриминатор вырабатывает в системе АПЧ управляющее напряжение, пропорциональное частотному рассогласованию в системе. Форма характеристики ЧД приведена на рис.18, где введены следующие обозначения: f ₀ – переходная частота; А – апертура; – средняя крутизна.

t ABQABgAIAAAAIQDI8AeHAQMAAGIGAAAOAAAAAAAAAAAAAAAAAC4CAABkcnMvZTJvRG9jLnhtbFBL AQItABQABgAIAAAAIQBZzSYe4AAAAAwBAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAAFsFAABkcnMvZG93bnJldi54 bWxQSwUGAAAAAAQABADzAAAAaAYAAAAA " o:allowincell="f" stroked="f">

Рис. 18. Характеристика частотного дискриминатора

Параметрами характеристики являются переходная частота, крутизна и апертура. Переходная частота f ₀ выбирается равной номинальному значению промежуточной частоты; крутизна характеристики определяет величину петлевого усиления системы и коэффициента автоподстройки; от апертуры и формы характеристики зависят полоса удержания и полоса захвата АПЧ.

Фильтр нижних частот определяет инерционность системы АПЧ. Часто используется однозвенный интегрирующий фильтр. При уменьшении постоянной времени фильтра уменьшается длительность переходного процесса в системе АПЧ, но возникает опасность самовозбуждения. В случае приема сигналов с частотной модуляцией недостаточная величина постоянной времени фильтра приводит к возникновению искажений сообщения.

АГ

РЧ

E Р

f Г

Рис.19. Функциональная схема ГУН

Генератор, управляемый напряжением,используется в качестве гетеродина – вспомогательного генератора, который вместе со смесителем и частотноизбирательной нагрузкой последнего составляет преобразователь частоты. Как показано на рис.19, ГУН представляет собой автогенератор с регулятором частоты. Свойства ГУН оцениваются по регулировочной характеристике.

Регулировочная характеристика (рис.20) определяет зависимость частоты генерируемых колебаний от напряжения на входе регулятора частоты. Основные параметры – диапазон напряжений регулировки, диапазон генерируемых частот, номинальное значение частоты, крутизна характеристики регулятора частоты. Крутизна регулировочной характеристики, определяется выражением:

.

f г

f г max

f г min

E р

Δ E р

Преобразователь частоты может работать на гармониках частоты гетеродина. При этом, как правило, уменьшается коэффициент передачи преобразователя, но возрастает крутизна регулировочной характеристики.

Рис.20. Регулировочная характеристика

Важнейшей характеристикой системы АПЧ является ее статическая характеристика. Статической характеристикой системы АПЧ называют зависимость остаточной расстройки по частоте Δ f _ОСТ от начальной расстройки Δ f _НАЧ в установившемся режиме. Для основного канала приема характеристика приведена на рисунке 21.

Основными параметрами системы АПЧ являются полоса захвата, полоса удержания и коэффициент автоподстройки частоты. Все эти параметры могут быть определены по статической характеристике АПЧ.

Полоса захвата – это диапазон начальных расстроек частоты, в пределах которого система АПЧ переходит в режим слежения, если этот режим не был установлен ранее.

Δ f ОСТ

Δ f НАЧ

Δ f ЗАХВ

Δ f УД

Полоса удержания – это диапазон начальных расстроек частоты, в пределах которого возможно сохранение режима слежения, если этот режим был установлен ранее.

Коэффициент автоподстройки частоты определяет, во сколько раз система АПЧ уменьшает начальную расстройку по частоте. Он рассчитывается как отношение начальной расстройки Δ f _НАЧ к остаточной Δ f _ОСТ в установившемся режиме: .

Рис.21. Статическая характеристика системы АПЧ

Величина коэффициента автоподстройки определяется параметрами системы: K _АПЧ = 1 + S _РЧ S _ЧД, где S _РЧ – крутизна характеристики регулятора частоты; S _ЧД – крутизна характеристики частотного дискриминатора.

 

При изменении знака обратной связи на противоположный (прием сигнала по зеркальному каналу) вид статической характеристики АПЧ изменяется. Во всех точках характеристики система АПЧ увеличивает начальную расстройку: Δ f _ОСТ > Δ f _НАЧ. Возможен ложный захват сигнала, когда система АПЧ поддерживает приблизительно постоянную, но далекую от нуля остаточную расстройку, а входной сигнал принимается по зеркальному каналу. Вследствие частотной избирательности преселектора, чувствительность приемника при этом будет понижена.

Вид статической характеристики системы АПЧ при работе на зеркальном канале показан на рис.22.

 

Δ f ОСТ

Δ f НАЧ

Рассмотрим систему АПЧ с интегрирующим фильтром. Допустим, что соблюдаются условия, когда характеристики ЧД и РЧ могут быть линеаризованы. Тогда в случае возникновения начальной расстройки по частоте величина мгновенной расстройки будет изменяться по закону

Рис.22. Зависимость остаточной расстройки от начальной при приеме сигнала по зеркальному каналу

,

где Δ f _НАЧ – начальная расстройка; D – петлевое усиление по постоянному току(D = S _РЧ S _ЧД )_, t – текущее время; – постоянная времени системы АПЧ, T – постоянная времени интегрирующего фильтра. Величина постоянной времени системы АПЧ

.

 

Характер переходного процесса показан на рис.23, где t _У – время установления; Δ f _НАЧ – начальная расстройка; Δ f _ОСТ – установившееся значение остаточной расстройки.

Рис.23. Переходный процесс в системе АПЧ

∆ f

∆ f

∆ f

t

t у

∆ f

В установившемся режиме остаточная расстройка и коэффициент автоподстройки равны соответственно:

,

K _АПЧ = 1 + D.

Временем установления t _У называют промежуток времени, необходимый для уменьшения расстройки от Δ f _НАЧ до 1,1Δ f _ОСТ. Благодаря действию обратной связи, время установления процессов в системе АПЧ значительно меньше, чем время установления процессов в интегрирующей RC-цепочке.

Действие системы АПЧ может привести к возникновению искажений ЧМ-сигнала. При недостаточной инерционности системы АПЧ напряжение регулировки E _Р начинает изменяться с частотой модуляции входного сигнала. Поскольку в системе реализуется отрицательная обратная связь, изменение частоты гетеродина, вызванное изменением E _Р, снижает индекс частотной модуляции преобразованного сигнала по сравнению с индексом частотной модуляции сигнала на входе смесителя. Это приводит к уменьшению выходного напряжения частотного детектора в информационном канале приемника. Эффект проявляется тем сильнее, чем ниже частота модуляции. В области верхних частот модуляции инерционность АПЧ обычно достаточна, напряжение E _Р практически не изменяется во времени и уменьшения выходного напряжения частотного детектора за счет действия АПЧ не происходит. Таким образом, действие АПЧ проявляется в “завале” нижних частот модуляции сигнала.

В системе АПЧ возможно возникновение самовозбуждения. Допустим, что на вход смесителя системы АПЧ подан немодулированный сигнал. Инерционные элементы в кольце АПЧ (ФНЧ, УПТ) приводят к фазовым сдвигам сигнала. Если на некоторой частоте дополнительный фазовый сдвиг достигает 180°, а петлевое усиление на этой частоте превышает единицу, то в системе АПЧ возникает самовозбуждение. Оно проявляется в возникновении и поддержке кольцом АПЧ паразитной частотной модуляции выходного напряжения гетеродина приемника. Преобразованный сигнал также оказывается промодулированным по частоте, и на выходе частотного детектора появляется переменное напряжение.

Условие устойчивости системы АПЧ с интегрирующим фильтром записывается в виде

,

где T = RC – постоянная времени фильтра; τ _З – дополнительная задержка сигнала, обычно вызванная избирательными системами УПЧ, а также инерционными цепями ЧД и РЧ.

Если петлевое усиление АПЧ невелико, более точный результат дают формулы

,

,

где F ₀ – частота самовозбуждения; K _{АПЧ КР} – критический коэффициент автоподстройки.

Система АПЧ проектируется с запасом по устойчивости. Величина устойчивого коэффициента автоподстройки больше у инерционных систем и меньше у безынерционных. Введение в кольцо АПЧ звеньев, увеличивающих запаздывание τ_З, снижает устойчивость системы.