Схема фазовой автоматической подстройки частоты радиоэлектронной аппаратуры

Иллюстрации

Показать все

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в приемо-передающей аппаратуре измерительной техники. Технический результат: формирование 2-х высокостабильных колебаний при воздействии на вход устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) эталонного сигнала, а также повышение чувствительности приема слабого фазового модулированного (ФМ) или частотно модулированного (ЧМ) сигнала. При воздействии на входы смесителя напряжения входного сигнала от эталонного генератора высокостабильного по частоте генератора и преобразованного напряжения подстраиваемого генератора на его выходе появляется напряжение, усиливаемое усилителем промежуточной частоты и подаваемое на сигнальный вход фазового детектора, на опорный вход которого подано напряжение генератора сдвига. При этом на выходе фазового детектора возникает периодическое напряжение, постоянная составляющая которого, усиленная в усилителе постоянного тока, через фильтр нижних частот воздействует на управитель частоты подстраиваемого генератора, приближая его частоту к частоте входного сигнала. При равенстве частот эталонного и подстраиваемого генераторов промежуточная частота становится равной частоте генератора сдвига, и частота биений становится равной нулю, т.е. наступает режим захвата. На выходе подстраиваемого генератора выделяется мощное колебание с частотой, равной частоте эталонного сигнала, а на выходе однополосного амплитудного модулятора - маломощное колебание верхней боковой полосы. При воздействии на сигнальный вход смесителя ФМ сигнала система ФАПЧ работает как ФМ детектор, и соответствующий сигнал снимается с выхода усилителя постоянного тока. 1 ил.

Реферат

Изобретение относится к области радиоэлектроники и предназначено для использования в радиоприемных и радиопередающих устройствах и радиоизмерительной технике.

Известна электрическая схема фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) [см. Шахгильдян В.В., Ляховкин А.А. Системы фазовой автоматической подстройки частоты. - М.: Связь, 1972, с.23-24], на вход которой поступает колебание высокостабильной частоты (ωc) сигнального генератора, состоящая из подстраиваемого генератора (с частотой (ωпг), смесителя, усилителя промежуточной частоты, фазового детектора, эталонного генератора (с частотой ωэ), усилителя постоянного тока (известны и частные случаи, когда усилитель постоянного тока может отсутствовать) и фильтра нижних частот. В режиме захвата промежуточная частота (ωп) в известном кольце равняется эталонной частоте (ωэ, т.е. ωппгcэ). Таким образом, частота подстраиваемого генератора в известном кольце равна сумме частот входного высокостабильного по частоте сигнала и эталонного генератора (т.е. ωпгсэ). Основным недостатком известной схемы кольца ФАПЧ при его использовании в системе стабилизации частоты является невозможность формирования колебания подстраиваемого генератора с частотой, равной высокостабильной частоте входного колебания. Другим недостатком является возможность формирования только одной частоты его выходного колебания, равной сумме частот входного высокостабильного по частоте колебания и эталонного генератора (ωпгсэ).

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является схема фазовой автоматической подстройки частот (ФАПЧ) радиоэлектронной аппаратуры, выполненная в виде кольца ФАЛ [см. Шахгильдян В.В., Ляховкин А.А. Системы фазовой автоматической подстройки частоты. - М.: Связь, 1972, с.15-20], в которой высокостабильное по частоте колебание эталонного генератора поступает на сигнальный вход фазового детектора, соединенного с усилителем постоянного тока (известны частные случаи, когда усилитель постоянного тока может отсутствовать). В свою очередь, усилитель постоянного тока соединен фильтром нижних частот, а фильтр нижних частот соединен с управляющим входом подстраиваемого генератора, который соединен с опорным входом фазового детектора. Эта схема по признаку того, что высокостабильное по частоте колебание эталонного генератора поступает на сигнальный вход фазового детектора, а частота подстраиваемого генератора в режиме захвата, равна высокостабильной частоте эталонного генератора, также по большинству признаков принята за прототип. Эта известная схема ФАПЧ уже может формировать, в режиме захвата, выходное колебание подстраиваемого генератора с частотой ωпг, равной высокостабильной частоте ωс эталонного генератора, а также может использоваться как детектор фазомодулированного (ФМ) либо частотно-модулированного (ЧМ) колебания. Однако, недостатками известной схемы ФАПЧ являются: низкая чувствительность приема слабого ФМ (ЧМ) колебания и способность формирования только одного выходного колебания с частотой, равной высокостабильной частоте выходного колебания (т.е. ωпрс). При этом низкая чувствительность приема ФМ (ЧМ) колебания обусловлена низкой крутизной фазового детектора, пропорциональной амплитуде слабого входного колебания.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков, а именно повышение чувствительности приема слабого ФМ (ЧМ) сигнала и способность увеличения числа выходных высокостабильных по частоте колебаний. Поставленная задача достигается тем, что в известную схему фазовой автоматической подстройки частоты радиоэлектронной аппаратуры, содержащую эталонный генератор высокостабильного по частоте колебания и последовательно соединенные друг с другом фазовый детектор, усилитель постоянного тока, фильтр нижних частот и подключенный через управляющий вход подстраиваемый генератор, в отличие от нее, в заявляемую дополнительно введены однополосный амплитудный модулятор, кварцевый генератор сдвига, смеситель и усилитель промежуточной частоты. При этом выход подстраиваемого генератора соединен с высокочастотным входом однополосного амплитудного модулятора, модулирующий вход которого соединен с выходом кварцевого генератора сдвига. Вход однополосного амплитудного модулятора соединен с опорным входом смесителя, а сигнальный вход смесителя соединен с выходом эталонного генератора высокостабильного по частоте колебания. Выход смесителя соединен через усилитель промежуточной частоты с сигнальным входом фазового детектора, опорный вход которого соединен с выходом кварцевого генератора сдвига. Причем, выходы усилителя постоянного тока, подстраиваемого генератора и однополосного амплитудного модулятора, каждого в отдельности, дополнительно имеют их отводы подачи соответствующего напряжения за пределы схемы.

Совокупность заявленных ограничительных и отличительных признаков позволяет достигнуть поставленную техническую задачу - повысить чувствительность приема слабого ФМ (ЧМ) сигнала и увеличить число высокостабильных по частоте выходных колебаний.

В заявляемой схеме ФАПЧ, благодаря введению в нее смесителя, однополосного амплитудного модулятора, модулируемого кварцевым генератором сдвига, являющимся одновременно генератором опорного напряжения фазового детектора, и усилителя промежуточной частоты, при непрерывном приближении частоты подстраиваемого генератора, путем изменения постоянного напряжения на выходе усилителя постоянного тока к частоте эталонного генератора, достигается эффект, когда частоты обоих генераторов сравниваются, а частоты напряжений, действующих на сигнальном и опорном входах фазового детектора, становятся равными между собой, т.е. устанавливается режим захвата.

Благодаря преобразованию входного колебания в смесителе и усилению преобразованного сигнального напряжения в усилителе промежуточной частоты, достигается возможность существенного увеличения амплитуды напряжения на сигнальном входе фазового детектора, величина которой становится значительно больше амплитуды напряжения на аналогичном входе фазового детектора известного решения - прототипа. Поэтому, достигается эффект, при котором крутизна фазового детектора, пропорциональная амплитуде сигнального напряжения, и соответственно чувствительность приема слабого ФМ (ЧМ) колебания заявляемой схемы ФАПЧ существенно выше, чем у известной схемы решения - прототипа.

Кроме того, благодаря введению однополосного амплитудного модулятора, на входы которого поступают колебания подстраиваемого генератора с частотой ωпг и модулирующее напряжение кварцевого генератора сдвига с частотой ωq, появляется возможность в режиме захвата формировать два колебания высокостабильной частоты, одно из которых является выходным колебанием подстраиваемого генератора с частотой ωпгс, а другое - колебанием однополосного амплитудного модулятора с частотой ωOAMсq.

Таким образом достигается решение поставленной задачи.

На чертеже представлена функциональная схема заявляемой схемы фазовой автоматической подстройки частоты радиоэлектронной аппаратуры с иллюстрацией действующих в схеме напряжений.

Заявляемая схема ФАПЧ радиоэлектронной аппаратуры содержит: эталонный генератор высокостабильного по частоте колебания - 1; подстраиваемый генератор - 2 с управляющим входом I; однополосный амплитудный модулятор - 3 с высокочастотным входом I и с модулирующим входом II; смеситель - 4 с опорным I и сигнальным II входами; усилитель промежуточной частоты - 5; кварцевый генератор сдвига - 6; фазовый детектор - 7 с сигнальным I и опорным II входами; усилитель постоянного тока - 8; фильтр нижних частот - 9.

При этом, в схеме последовательно соединены: фазовый детектор 7, усилитель постоянного тока 8, фильтр нижних частот 9, который соединен с управляющим входом I подстраиваемого генератора 2. Причем, выход подстраиваемого генератора 2 соединен с высокочастотным входом I однополосного амплитудного модулятора 3, модулирующий вход II которого соединен с выходом кварцевого генератора сдвига 6; выход однополосного амплитудного модулятора 3 соединен с опорным входом I смесителя 4, а сигнальный вход II смесителя 4 соединен с выходом эталонного генератора высокостабильного по частоте колебания 1. Выход смесителя 4 соединен через усилитель промежуточной частоты 5 с сигнальным входом I фазового детектора 7, опорный вход II которого соединен с выходом кварцевого генератора сдвига 6. Кроме того, выходы усилителя постоянного тока 8, подстраиваемого генератора 2 и однополосного амплитудного модулятора 3, каждого в отдельности, дополнительно имеют их отводы - выходы, соответственно I, II, III, подачи соответствующего напряжения за пределы схемы.

Заявляемую схему ФАПЧ радиоэлектронной аппаратуры используют следующим образом:

1. В случае использования схемы ФАПЧ для приема слабого ФМ колебания выделяют напряжение на отводе - выходе I схемы.

В данном случае колебание эталонного генератора 1, моделирующее слабое ФМ (ЧМ) колебание, в В, равное:

где - среднее значение амплитуды колебания в В;

t - время в с;

и νc(t) - соответственно средняя и модуляционная составляющие круговой частоты колебания эталонного генератора в рад/с;

ϕc(t) - модуляционная составляющая фазы колебания в рад, поступает на сигнальный вход II смесителя 4.

Колебание подстраиваемого генератора 2, в В, равное

где - среднее значение амплитуды колебания подстраиваемого генератора, в В;

и νпг(t) - соответственно средняя и модуляционная составляющие круговой частоты колебания подстраиваемого генератора в рад/с; - модуляционная составляющая фазы подстраиваемого генератора в радианах,

поступает на высокочастотный вход I однополосного амплитудного модулятора 3, а на его модулирующий вход II - напряжение кварцевого генератора сдвига, в В, равное

где и - соответственно среднее значение амплитуды и круговой частоты напряжения u6(t) кварцевого генератора сдвига 6, измеряемые соответственно в В и рад/с.

При этом на выходе однополосного амплитудного модулятора 3 выделяется колебание верхней боковой частоты, в В, равное

где и - соответственно среднее значение амплитуды и круговой частоты однополосного амплитудного модулятора 3, соответственно в В и рад/с. Это напряжение поступает на опорный вход I смесителя 4. При одновременной подаче на оба входа смесителя 4, моделируемого его типовым перемножающим устройством с коэффициентом передачи (не показано), напряжений эталонного генератора 1 и однополосного амплитудного модулятора 3, на его выходе появляется напряжение u4(t), содержащее составляющие суммарной и разностной круговых частот, в В, соответственно, равное

При поступлении этого напряжения u4(t) на вход усилителя промежуточной частоты 5, настроенного, как известно, на разностную промежуточную частоту, на его выходе появляется напряжение разностной промежуточной частоты, в В, равное

где Kупч - безразмерный коэффициент усиления усилителя промежуточной частоты;

- круговая разностная промежуточная частота, в рад/с.

При одновременной подаче на фазовый детектор 7 напряжений с выходов усилителя промежуточной частоты 5 и кварцевого генератора сдвига 6 на выходе фазового детектора 7, моделируемого перемножающим устройством с коэффициентом передачи (не показано), возникает напряжение, в В, равное

Напряжение U7(t) с выхода фазового детектора 7 через усилитель постоянного тока 8 поступает на вход фильтра нижних частот 9 кольца ФАПЧ, где составляющая напряжения суммарной частоты отфильтровывается и на управляющий вход подстраиваемого генератора 2 воздействует напряжение u9(t) со средней круговой частотой биений, измеряемое в рад/с

Мгновенная частота подстраиваемого генератора 2 меняется в результате появления напряжения на входе его типового управителя частоты (не показано) и составит: ,

где - средняя круговая частота свободного подстраиваемого генератора в рад/с;

Sпг - крутизна модуляционной характеристики подстраиваемого генератора, в рад/с·В.

При этом, если начальная расстройка генераторов равна , в рад/с, окажется в данном случае использования заявляемой схемы больше полосы удержания Ωу (как известно, полосой удержания Ωy является такое значение разности частот при котором происходит срыв слежения за частотой , приводящий к потере синхронизации в системе ФАПЧ, т.е. к потере работоспособности системы), то в схеме наступит режим биений, для которого характерно неравенство частот подстраиваемого и эталонного генераторов: .

В этом режиме разность фаз обоих генераторов непрерывно возрастает, а напряжение u7 (t) на входе фазового детектора 7 периодически изменяется. При этом длительности положительных и отрицательных полуволн оказываются разными, что приводит к появлению постоянной составляющей напряжения на выходе фазового детектора 7, которое изменяет среднюю частоту биений по отношению к начальной расстройке генераторов по частоте .

В замкнутой же схеме ФАПЧ средняя частота биений всегда меньше начальной расстройки генераторов на частоте . При этом, если среднюю частоту биений еще непрерывно уменьшать, известным путем изменения величины постоянного управляющего напряжения, например изменением величины коэффициента усиления усилителя постоянного тока 8, то при в дальнейшем произойдет автоматическое приближение частоты подстраиваемого генератора к частоте эталонного генератора, что, в конечном счете, приводит к нулевому значению средней частоты биений , т.е. наступит необходимый для работы режим захвата, в котором частоты подстраиваемого 2 и эталонного 1 генераторов становятся одинаковыми , а средняя частота выходного напряжения усилителя промежуточной частоты 5 равна средней частоте напряжения кварцевого генератора сдвига 6 .

Напряжение, действующее в случае, когда , на выходе усилителя постоянного тока 8, в В, составляет

В этом выражении напряжения u8(t) составляющая суммарной средней частоты не учтена, так как эта составляющая отфильтровывается в фильтре нижних частот 9 кольца ФАПЧ и в соответствующем блоке обработки принимаемого сигнала (не показано), подключаемого в этом случае к выводу I схемы и состоящего обычно из типовых фильтра нижних частот, усилителя нижних частот и регистрирующего устройства.

В режиме захвата, как отмечено, средние частоты напряжений блоков 5 и 6 равны, т.е. , и напряжение, действующее на входе соответствующего блока обработки принятого сигнала, в В, составит

Спектр выходного напряжения усилителя постоянного тока 8, действующего на входе соответствующего подключаемого блока обработки сигнала, в равен

где - крутизна фазового детектора, в В/рад;

Кфнч(j Ω) - безразмерная передаточная функция фильтра нижних частот;

Ω - круговая частота, в рад/с;

j - мнимое число;

ϕс(j Ω) - спектр модуляции фазы эталонного генератора, в

Для кольца ФАПЧ традиционного решения - прототипа выражение для спектра выходного напряжения усилителя постоянного тока будет аналогичным, однако в нем крутизна фазового детектора составляет другое значение, а именно - крутизна фазового детектора кольца - ФАПЧ, в В/рад; и - соответственно средние значения амплитуд напряжений входного эталонного генератора 1 подстраиваемого генератора 2, в В.

Подбирая для сравнения амплитуд напряжение однополосного амплитудного модулятора 3 заявляемой схемы, можно добиться положения, при котором соблюдается равенство .Тогда для сравниваемых схем ФАПЧ достигается равенство т.e крутизна фазового детектора 7 заявляемой схемы ФАПЧ в «Купч» раз больше крутизны фазового детектора схемы ФАПЧ традиционного решения - прототипа.

Таким образом, в заявляемой схеме чувствительность приема слабого ФМ колебания, пропорциональная Sфд, возрастает в «Купч» раз (20÷30) дБ.

Для неискаженного фазового детектирования устанавливают параметры кольца ФАПЧ таковыми, что Sпг Sфд Купт Кфнч(j Ω)/j Ω «1, и тогда достигается примерное соответствие значения спектра выходного напряжения усилителя постоянного тока 8 u8(j Ω)≅SфдКуптϕc(j Ω).

2. В случае использования схемы ФАПЧ для приема слабого ЧМ колебания выделяют напряжение u9(t) на выходе фильтра нижних частот 9.

Выходное напряжение фильтра нижних частот u9(t) поступает на вход соответствующего подключаемого блока обработки принимаемого сигнала, как и в случае приема ФМ сигнала, и состоящего из типовых фильтра нижних частот, усилителя нижних частот и регистрирующего устройства (на чертеже не показано).

Спектр напряжения u9(t) на выходе фильтра нижних частот 9, в равен ,

где νc(j Ω) - спектр модуляции частоты, в

Для неискаженного частотного детектирования устанавливают параметры кольца ФАПЧ таковыми, что SпгSфд Купт Кфнч(j Ω)/j Ω»1 и тогда достигается примерное соответствие значения спектра выходного напряжения

3. В случае использования схемы ФАПЧ в качестве следящего фильтра используют напряжение, выделяемое на выходе II схемы, поступающее на вход подключаемого соответствующего блока регистрирующего устройства (например, типового анализатора высоких частот) (на чертеже не показано).

В режиме захвата напряжение на выходе подстраиваемого генератора 2 составит . При этом, спектр модуляций частоты колебания подстраиваемого генератора в составит

νпг(j Ω)=В(j Ω)νс(j Ω),

где - безмерный коэффициент преобразования.

Во избежание искажений спектра модуляции частоты сигнала устанавливают параметры кольца ФАПЧ таковыми, что SпгSфдКуптКфнч(j Ω)/j Ω»1, и тогда достигается примерное соотношение значения спектра модуляции частоты колебания подстраиваемого генератора νпг(j Ω)≅νc(j Ω).

4. В случае использования схемы ФАПЧ для формирования двух высокостабильных по частоте колебаний используют напряжения, выделяемые соответственно на входах II и III схемы, поступающие на типовое регистрирующее устройство (например, измеритель частоты) (на чертеже не показано).

В режиме захвата напряжения, выделяемые на выходах II и III схемы, соответственно составят

где и - формируемые высокостабильные средние круговые частоты в рад/с, так как средние круговые частоты и формируются на базе высокостабильных по частоте кварцевых эталонов частоты.

Результаты проведенной опытной проверки заявляемого изобретения, с определением технических характеристик схемы подтверждают достижение вышеуказанных эффектов заявляемого изобретения.

Схема фазовой автоматической подстройки частоты радиоэлектронной аппаратуры, содержащая эталонный генератор высокостабильного по частоте колебания и последовательно соединенные друг с другом фазовый детектор, усилитель постоянного тока, фильтр нижних частот и через управляющий вход, подстраиваемый генератор, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены однополосный амплитудный модулятор, кварцевый генератор сдвига, смеситель, усилитель промежуточной частоты, при этом выход подстраиваемого генератора соединен с высокочастотным входом однополосного амплитудного модулятора, модулирующий вход которого соединен с выходом кварцевого генератора сдвига, выход однополосного амплитудного модулятора соединен с опорным входом смесителя, а сигнальный вход смесителя соединен с выходом эталонного генератора высокостабильного по частоте колебания; выход смесителя соединен через усилитель промежуточной частоты с сигнальным входом фазового детектора, опорный вход которого соединен с выходом кварцевого генератора сдвига, причем выходы усилителя постоянного тока, подстраиваемого генератора и однополосного амплитудного модулятора, каждого в отдельности, дополнительно имеют их отводы подачи соответствующего напряжения за пределы схемы.