Аналіз схеми широкосмугового фазового автопідлаштовувача частоти

Системи фазового автопідлаштовування частоти (ФАПЧ) призначені для відстежування фази вхідного сигналу. Вони є нелінійними системами, так як відстежувані ними параметри – частота і фаза деякого коливання – пов’язані з вхідними сигналами нелінійно. Системи ФАПЧ також знаходять широке використання в різних галузях науки і техніки. Їх використовують, наприклад, для:

· визначення частоти та початкової фази прийнятого гармонічного сигналу або несучого коливання модульованого радіосигналу;

· оцінки доплерівського зсуву частоти прийнятого коливання;

· демодуляції (детектування) частотно-, фазо-, амплітудно- або балансно-модульованих сигналів.

У цих випадках система ФАПЧ грає роль слідкуючого фільтра, який відстежує необхідний параметр вхідного радіосигналу.

Системи ФАПЧ застосовують також для формування ЧМ і ФМ сигналів зі стабільною несучою частотою. У такому випадку система ФАПЧ здійснює відхилення частоти свого генератора від частоти еталонного генератора, розміщеного на її вході, за законом, що задається зовнішньою модулюючою напругою.

Функціональна схема системи ФАПЧ наведена на рис. 3.11.

Рисунок 3.11 – Функціональна схема фазового автопідлаштовувача частоти

Принцип роботи системи полягає в наступному. Вхідний сигнал і сигнал з керованого генератора (КГ) надходять на фазовий дискримінатор (ФД). Вихідним сигналом фазового дискримінатора є напруга помилки , величина якої пропорційна фазовому зсуву між вхідним сигналом і напругою керованого генератора. Сигнал помилки посилюється і надходить на вхід керованого генератора. При цьому частота генерованого коливання змінюється відповідно до величиною керуючого напруги.

У момент включення системи ФАПЧ, вона використовується як стежачий фільтр, частоти та початкові фази вхідного коливання та коливання КГ, як правило, виявляються відповідно не рівними між собою, тому мають місце нерівності для девіації частоти і фази та . Протягом певного часу ідеальна система ФАПЧ підлаштовує частоту та початкову фазу коливань КГ під однойменні параметри вхідного коливання, тобто зводить значення до нуля. Однак, реальні системи ФАПЧ дещо відрізняються від ідеальних, тому вважається задовільним, якщо система досягає стану, за якого виконується умова , де – припустиме порогове значення.

Режим роботи системи ФАПЧ від моменту її включення до моменту виконання завданої умови – режим захвату сигналу (синхронізм).

Подальший режим підтримання низького рівня величини називають режимом синхронізації або режимом стеження.

Властивості системи ФАПЧ у режимі захвату виявляють аналізуючи її нелінійні рівняння. Саме воно визначає поведінку системи в режимі стеження при великих та різких змінах повної фази сигналу, за дії сильних завад та за наявності великих значень діючої напруги.

Зазвичай в якості фазового детектора в системах ФАПЧ використовується синхронний детектор гармонійного або ключового типу. Першому притаманна висока завадозахищеність, вибірковість, добротність у випадку, якщо вихідний сигнал КГ є гармонійним, а ФНЧ, якій розташований на виході ФД, має значну сталу часу. Це можна побачити з наступних співвідношень для діапазонів слідкування та захоплення системи ФАПЧ:

,

де – коефіцієнт передачі керованого генератора; – коефіцієнт передачі синхронного детектора; – передаточна функція ФНЧ на частоті , яка дорівнює діапазону захоплення . Для простого пасивного фільтру першого порядку з постійною часу зв’язок з діапазоном стеження визначається за наступним приблизним відношенням:

,

тобто чим менша постійна часу , тим вужчим буде діапазон стеження системи ФАПЧ.

Таким чином, в класичних системах ФАПЧ достатньо потужна фільтрація продуктів фазового детектування на вході керованого генератора призводить до необхідності використання високочастотних генераторів, керування якими здійснюється за миттєвими значеннями вхідної напруги , що і визначає доцільність їх використання в радіочастотному діапазоні.

При цьому відношення смуги частот каналу до смуги корисного сигналу сягає кількох тисяч і більше. Це означає, що смуга частот корисного сигналу при використанні класичних систем ФАПЧ буде меншою навіть за 1 Гц при значеннях динамічних похибок в декілька відсотків, що в більшості випадків не задовольняє вимогам сучасних АСУ ТП. Це робить актуальною проблему частотної демодуляції сигналів за наявності значних зовнішніх завад в низькочастотній частині спектру, в якому класичні методи боротьби з шумом втрачають свою ефективність через домінуючий вплив флікер-шумів.

Відомим рішенням зазначеної проблеми виступає аналогова система ФАПЧ з КГ типу функціонального генератора з переключенням напрямку інтегрування вхідного сигналу, розширення смуги захоплення у якій досягається за рахунок виключення ФНЧ, що призводить до виникнення пульсацій на вході КГ.В цьому випадку пульсації на виході синхронного детектора модулюються по частоті керованим генератором з подвійною частотою сигналу через наявність від’ємного зворотного зв’язку. Це призводить до спотворення синусоїди у випадку надходження гармонічного сигналу або спотворення сквапності імпульсів при обробці послідовності прямокутних імпульсів. Зменшення чутливості лінійної ланки у такій системі, знову ж таки, призводить до звуження діапазону стеження.

Одним з можливих методів вирішення проблем детектування, що були зазначені вище є використання у якості частотного демодулятора широкосмугового швидкодіючого завадозахищеного ФАПЧ, структурну схему якого зображено на рис.3.12.

Рисунок 3.12 – Структурна схема частотного демодулятора із широкосмуговим завадозахищеним фазовим автопідлаштовувачем частоти

Наведена структура відрізняється від класичної ФАПЧ тим, що функції ФНЧ та КГ поєднуються в перетворювачі напруга-частота з негативним зворотним зв’язком по інформаційному параметру. В стані захоплення завади на виході синхронного детектора стають синхронними по відношенню до вхідного сигналу і пригнічуються в десятки тисяч раз. Враховуючи високу лінійність перетворювача, стан захоплення настане протягом одного-двох періодів вхідного сигналу після стрибкоподібної зміни частоти вхідного сигналу, що забезпечує високі динамічні властивості системи, а також зменшує відношення смуги кналу до смуги корисного сигналу до кількох одиниць.

В табл. 3.1 представлено усереднені дані, що в числовій формі ілюструють показники якості роботи двох розглянутих варіантів частотних демодуляторів у порівнянні.

Таблиця 3.1 – Порівняльні дані роботи звичайного і запропонованого частотних демодуляторів

Запропонована система широкосмугового швидкодіючого завадозахищеного ФАПЧ формує вихідні частотно-демодульовані сигнали при значних співвідношеннях сигнал/шум на вході з меншими динамічними похибками відновлення незалежно від спектрального складу оброблюваного сигналу, тобто навіть за наявності рожевих (флікер) шумів, які зазвичай руйнують інформацію при використанні звичайного частотного демодулятора. відновлення частотно-модульованих сигналів, за допомогою даної системи, можливе в низькочастотній смузі в умовах дії значних шумів (відношення сигнал/шум до 8 дБ) при смузі корисного сигналу до 500 Гц і смузі каналу зв’язку 3000 Гц ±1000 Гц, що практично в тисячу разів перевищує можливості відомих систем при однакових похибках.

З метою кількісного аналізу широкосмугового швидкодіючого ФАПЧ скористаємося рівнянням

,

де – постійна часу інтегратора;

– вихідна напруга інтегратора;

– несуча складова вхідного сигналу демодулятора, із амплітудою та частотою ;

– випадкова складова вхідного сигналу;

– напруга початкового зміщення інтегратора;

– номер періоду вхідної напруги інтегратора, що досліджується.

Це рівняння являє собою диференціальне рівняння із змінними параметрами, яке можна розв’язати лише чисельними методами. Тому доцільнішим вбачається проведення моделювання у середовищі Multisim.