Технические науки/Электротехника и радиоэлектроника

Д.т.н., профессор Плаксиенко В.С., к.т.н., доцент Плаксиенко Н.Е.

Технологический институт Южного федерального университета в
г. Таганроге

Система ФАПЧ c дискриминатором с управляемой характеристикой

В радиотехнических системах с непрерывными сигналами синхронизацию местного гетеродина выполняют при помощи системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), к которой предъявляются жесткие противоречивые требования: высокая фильтрация помех и широкая полоса слежения за частотой сигнала. В условиях априорной неопределенности о радиосигналах выполнение этих требований представляет сложную задачу. Статья посвящена решению задачи синхронизации местного гетеродина в условиях воздействия помех.

Рассмотрим один из методов решения задачи синхронизации гетеродина, когда расширение полосы захвата системы ФАПЧ достигается за счет применения в ней фазовых дискриминаторов с обратными связями (ФДОС) [1,2] при сохранении ее фильтрующих свойств.

Структурная схема системы ФАПЧ с ФДОС приведена на рис. 1 [2]. Работа системы ФАПЧ описывается дифференциальным уравнением [1]:

(1)

где – оператор дифференцирования по времени t; E – максимальное выходное напряжение ФДОС; S_ПГ – крутизна перестраиваемого генератора; K(p) – коэффициент передачи ФНЧ в операторной форме; F_y(φ, λ) – нормированная управляемая характеристика ФДОС; _{λ – параметр управления, Δω – начальная расстройка.}

В рассматриваемом устройстве управляемая характеристика F_y(φ, λ) является функцией параметра λ, F_y(φ, λ)=f(φ), который пропорционален мощности флуктуационной составляющей процесса на входе ФД.

Рис 1. Структурная схема системы ФАПЧ с ФДОС

Полоса захвата определяется двумя параметрами [1]: постоянной времени ФНЧ и формой характеристики ФД. При неизменной постоянной времени ФНЧ полоса захвата системы ФАПЧ увеличивается по мере изменения формы характеристики ФД от треугольной к прямоугольной. Максимальное значение полосы удержания системы ФАПЧ определяется как:

∆f_уд=E∙S_ПГ (2)

Наиболее полно шумовые свойства ФДОС описываются безразмерными относительными дискриминационными характеристиками, представляющими отношение математического ожидания процесса на выходе дискриминатора к корню квадратному от его дисперсии. Эти характеристики дают представление об устойчивости работы дискриминаторов в условиях воздействия помех.

Форма дискриминационной характеристики ФДОС зависит от глубины обратных связей, задаваемой коэффициентами усиления K в каналах [1].

Возможны четыре режима работы дискриминатора: 1) K=0 – соответствует векторомерному ФД, т.е. без обратных связей; 2) 0<K<1 – мягкий режим; 3) K=1 – критический режим; 4) K>1 – жесткий режим.

При воздействии шумов, величина максимумов дискриминационной характеристики ФД и ее крутизна уменьшаются (рис. 2).

Рис 2. Результаты моделирования ФДОС в условиях воздействия шумов

Уменьшение соотношения «сигнал/шум» приводит также к ухудшению динамических свойств системы ФАПЧ, в частности, к увеличению времени входа в синхронизм и уменьшению полосы захвата системы.

Однако увеличение крутизны характеристики ФДОС, т.е. увеличение коэффициента усиления разомкнутой петли ФАПЧ на нулевой частоте, сопровождается увеличением выброса частотной характеристики замкнутой цепи. При критическом значении коэффициента усиления разомкнутой цепи выброс частотной характеристики такой цепи получается бесконечно большим, поэтому крутизну характеристики ФДОС уменьшают по мере входа системы в режим захвата изменяя уровень управляющего напряжения, поступающего на управляемые усилители 1 и 2 (рис. 1), в результате чего изменяется K_y, а крутизна характеристики ФДОС снижается, что устраняет возможность возникновения предельного цикла первого рода.

На рис. 3 приведена кривая зависимости полосы захвата от коэффициента взаимной обратной связи K при соотношении «сигнал/шум» , полученная моделированием в среде Microcap и экспериментально.

Рис. 3. Кривая зависимости полосы захвата от K

При отсутствии шумов и при K=0 полоса захвата равна 8,3 кГц (точка А), при она снижается до значения 6,6 кГц (точка В). При K=0,5 уменьшение полосы захвата практически полностью компенсируется.

Исследования, в том числе описанные в работе [3], показали, что стабильность полосы захвата системы обеспечивается при соотношении «сигнал/шум» .

Литература:

1. Плаксиенко В.С. Уровневая статистическая обработка дискретных сигналов. М.: Учебно-методический и издательский центр «Учебная литература», 2006, 274с.

2. А. С. № 1290519."Устройство ФАПЧ". Б.И. 1987. № 6./ Плаксиенко В.С., Сучков П.В., Самойло К.А., Плаксиенко Н.Е, Федосова Т.С.

3. Плаксиенко В.С., Плаксиенко Н.Е. Система ФАПЧ с дискриминатором с управляемой характеристикой. Известия академии инженерных наук им. А.М. Прохорова. НТ журнал, Юбилейный том, посв. 20-летию Академии инженерных наук РФ. Москва-Н. Новгород 2011.С. 164-168.