Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Система ФАПЧ и ее применения





Система ФАПЧ (система фазовой автоподстройки частоты) ,как следует из её названия, является системой автоматического регулирования (следящей системой), частота настройки которой определяется частотой управляющего сигнала, а сигналом рассогласования является разность фаз управляющего сигнала и сигнала обратной связи. В связи с тем, что настройка осуществляется по разности фаз, система является астатической по отношению к частоте: в установившемся режиме частота настройки точно равна частоте управляющего сигнала. При определённых условиях система ФАПЧ может быть астатической и по фазе.

Наряду с основным свойством автоподстройки, система ФАПЧ обладает свойством фильтрации и ведёт себя, независимо от функционального назначения, как следящий полиномиальный фильтр. Система ФАПЧ является системой с многофункциональными возможностями и используется для частотной модуляции и демодуляции, частотной фильтрации (в том числе, фильтрации модулирующей функции частоты), умножения и преобразования частоты, выделения опорного колебания для когерентного детектирования и др.

Система ФАПЧ может быть аналоговой, импульсной, цифровой или комбинированной (аналого-импульсной, импульсно-цифровой и так далее). В аналоговой системе ФАПЧ действует непрерывный сигнал, характеризуемый мгновенными значениями параметров в каждый момент времени. В импульсной системе параметры сигнала характеризуются дискретными значениями, которые могут быть мгновенными или интервальными. Импульсным сигналом с мгновенными отсчётами является, например, прямоугольный (типа “меандр”) сигнал управляемого генератора, характеризуемый мгновенными значениями частоты в точках изменения уровней. Импульсным с интервальными отсчётами является, например, сигнал импульсного фазового детектора (ФД), длительность импульсов которого определяется измеряемым фазовым интервалом. Интервальный импульсный сигнал может быть причиной временных и других видов искажений. В цифровой системе ФАПЧ используется, соответственно, цифровой сигнал, представляющий собой дискретный поток данных, определяемых значениями квантованных отсчётов аналогового сигнала и выражаемых цифровым кодом. Квантованные отсчёты цифрового сигнала также могут быть как мгновенными, так и интервальными.



Ниже даётся обобщённый инженерный анализ системы ФАПЧ с аналоговыми и импульсными элементами и рассмотрены применения системы.

Рассматриваемые системы ФАПЧ находят широкое применение в микроэлектронных компонентах, производимых известными фирмами. Так, например, фирма Analog Devices использует систему ФАПЧ:

в одно- и двухканальных синтезаторах ADF410x/1x/5x и ADF420x/1x/5x типов “Integer-N” и “Fractional-N” с программируемыми (перестраиваемыми) частотами до 3,7 ГГц;

для умножения тактовой частоты в ЦАП серии TxDAC+ AD9751/3/5 (300 МГц), AD9772/4 (400/128 МГц), в цифровых (DDS) синтезаторах-модуляторах AD9852/4 (300 МГц) и модуляторах AD9853/6 (168/200 МГц);

для умножения частоты в k = 2N/n раз, где n — целое число из ряда 1, 2, ... 2N/2,5, — с DDS-синтезаторами AD9850/1/2/4 в качестве делителей частоты в цепи обратной связи (например, при N = 48 и максимальной частоте после умножения 300 МГц при использовании AD9852);

в качестве частотного модулятора, совмещённого с синтезатором частот, и частотного демодулятора, совмещённого с преобразователем частоты, — в микросхеме приёмопередатчика AD6411 системы DECT;

в качестве квадратурного модулятора, совмещённого с квадратурным преобразователем частоты, — в микросхеме приёмопередатчика AD6523, применяемого совместно с синтезатором AD6524 (также на базе ФАПЧ), — в системах GSM и DCS;

в качестве источника опорной частоты с квадратурным выходом для демодулятора в микросхеме приёмопередатчика AD6432 системы GSM.

Фирма Texas Instruments использует систему:

в двух- и трехканальных синтезаторах частот TRF2020 — до 0,25, 0,25 и 1,2 ГГц, TRF2050 — до 0,25 и 1,2 ГГц, TRF2052 — до 0,15 и 2,0 МГц и TRF3040, являющимся также модулятором, — до 0,2 и 2,0 ГГц;

для синтеза сигналов опорной частоты для модуляторов в микросхемах TRF3040 и TRF3520;

для умножения тактовой частоты в цифровых сигнальных процессорах TMS320C54x, TMS320C62x, TMS320C67x и TMS320VC33.

Фирма Motorola (Semiconductor Product Sector) использует систему в двухканальных синтезаторах частот MC145181 (до 550 и 60 МГц), MC145225 (до 1,2 и 0,55 ГГц), MC145230 (до 2,2 и 0,55 ГГц) и др., предназначенных для аппаратуры радиосвязи различных систем.

Фирма Gran-Jansen AS (Норвегия) использует систему ФАПЧ в приёмопередатчике GJRF400 (GJRF10), работающем в диапазоне частот 300–500 МГц, для синтеза опорного колебания и для аналоговой частотной модуляции.

Приведённый перечень — далеко не полный, однако перечисленные микросхемы достаточно полно характеризуют возможности применения системы ФАПЧ. сновные соотношения

В обобщённом виде любая система автоматического регулирования, независимо от её назначения, содержит измерительное устройство с вычитателем на входе и объект регулирования, выход которого подключен к вычитателю. В вычитателе сравниваются управляющая величина и управляемая (с выхода объекта регулирования), являющаяся величиной обратной связи. Наряду с понятиями управляющей и управляемой величин, будем пользоваться понятиями входной и выходной, определяющих функциональное назначение системы. В общем случае, входная и выходная величины не всегда являются управляющей и управляемой (в указанном понимании этих терминов). Передаточная функция системы —

где xвых и xвх — выходная и входная величины, а Kпр(p) и Kобр(p) — передаточные функции цепей прямой передачи (от входа к выходу) и отрицательной обратной связи (от выхода к входу), p — оператор Лапласа (знак плюс в знаменателе означает, что обратная связь — отрицательная). Входная величина может подаваться на вход любого элемента, а выходная — сниматься также с выхода любого элемента системы.

Рис. 24.1. Варианты ФАПЧ.

На рис. 24.1 (а) приведена схема простейшей системы ФАПЧ, содержащей фазовый детектор ФД (измерительное устройство), фильтр Ф и управляемый генератор УГ (объект регулирования). ФД и УГ являются обязательными элементами системы, а фильтр, влияющий на её динамические (частотные) свойства, может отсутствовать. Управляющей величиной является частота w0 + Dwвх переменного напряжения на входе ФД, составляющие которой: w0 — опорная частота системы и Dwвх — изменение частоты, являющееся входной величиной, воздействующей на систему. Величиной обратной связи является частота УГ, равная w0 + Dwобр, где Dwобр = Dwвх – pDj, а pDj и Dj — изменения частоты и фазы на входе ФД, вызванные Dwвх. На рис. 1б приведена схема варианта системы, который отличается тем, что на входе ФД действует только опорная частота w0, а входной величиной системы является напряжение uвх на входе УГ, приложенное через сумматор “+”. Входная и выходная величины Dwвх и uвых на рис. 24.1(а) определяют назначение системы — частотный демодулятор, а uвх и w0 + Dwвых на рис. 24.1(б) — частотный модулятор. Функционально сумматор на рис. 1б является вычитателем, так как в петле системы действует отрицательная обратная связь.

Несмотря на то, что управляющей величиной в системе ФАПЧ является частота, в ФД сравниваются не частоты, а фазы напряжений на его входе. В результате, разность фаз, являющаяся интегралом разности частот, равна Dj = (Dwвх – Dwобр)/p (рис. 1а) или Dj = -Dwвых/p (рис. 24.1(б)), а передаточная функция ФД, соответственно, KФД(p) = KФД/p, где KФД — коэффициент передачи с размерностью В/рад. Разность фаз на входе ФД, помимо Dj, может содержать начальную постоянную составляющую j0, при которой на входе ФД j = j0 + Dj. Составляющая j0 является постоянной интегрирования и определяется выбором режима системы ФАПЧ с учётом детекторной характеристики ФД.

Передаточная функция системы ФАПЧ по схеме на рис. 1а, используемой для частотной демодуляции, характеризуется выражением

где uвых — напряжение на выходе фильтра (выходное напряжение демодулятора), обусловленное изменением частоты на входе Dwвх, K0 = 1/KУГ — коэффициент передачи системы (в данном случае — на “нулевой” частоте), t0 = 1/KФДKФKУГ — “собственная” (без учёта kФ(p) фильтра) постоянная времени системы, KУГ — коэффициент передачи управляемого генератора (с размерностью (рад/с)/В), а KФ и kФ(p) — постоянный и частотно-зависимый множители передаточной функции фильтра KФ(p) = KФkФ(p). При отсутствии фильтра, то есть при KФ(p) = 1,

где t0 = 1/KФДKУГ. Передаточная функция (3) является функцией полиномиального ФНЧ 1-го порядка. В общем случае, порядок системы ФАПЧ равен единице плюс порядок применённого фильтра Ф (интегрирующей цепи или ФНЧ).

Передаточные функции (2) и (3) являются “внешними” функциями системы ФАПЧ, обусловленными заданными входом и выходом системы. Основной функцией системы является

где Dj — изменение разности фаз на входе ФД, обусловленное изменением управляющей частоты Dwвх, а 1 + pt0/kФ(p) в знаменателе функции — полином системы (согласно терминологии в теории полиномиальной фильтрации ), присутствующий во всех “внешних” передаточных функциях, в том числе в (2), отличающихся выражениями в числителе.

Элементы системы ФАПЧ

Как уже сказано, основными (обязательными) элементами системы ФАПЧ являются ФД и УГ, которые в рассматриваемых системах могут быть аналоговыми или импульсными. Кроме того, в составе рассматриваемых систем ФАПЧ могут быть аналоговые фильтры, делители частоты с импульсным или аналоговым выходами, смесители и др.


25. Особенности приёма сигналов с амплитудной модуляцией.

Существует несколько факторов, способных вызвать искажение принимаемого приёмником АМ сигнала.

1. Влияние среды распространение радиоволн. Наиболее характерная проблема при приёме сигналов – многолучевое распространение радиоволн, когда сигнал от одной и той же радиостанции приходит в место приёма по нескольким траекториям. При дальнем распространении радиоволн через ионосферу взаимный сдвиг сигналов по времени может достигать 0,5 – 2 мс. Это означает, что при двулучевом распространении спектральные составляющие сигнала оказываются сдвинутыми по фазе. Такой сдвиг влияет на форму огибающей принятого сигнала, что после детектирования проявляется как искажение сигнала. Подобные искажения можно уменьшить только применением остронаправленных антенн, позволяющих выбирать в пространстве только один луч.

2. Искажение АМ сигнала в линейном тракте приёмника.

Известно, что амплитудно – модулированный одной гармоникой сигнал имеет спектр, содержащий три составляющие.

(8.1)

Амплитуды несущей и боковых на выходе радиотракта зависят от формы АЧХ и взаимного расположения АЧХ и спектра сигнала. Напряжение на выходе можно определить спектральным методом, согласно которому каждая составляющая спектра сигнала умножается на коэффициент усиления радиотракта на частоте этой составляющей. При точной настройке радиотракта на несущую частоту сигнала и симметричной АЧХ (рис. 8.1, а) выражение для напряжения на выходе имеет вид:

(8.2)

Сравнение (8.1) и (8.2) показывает, что сигнал на выходе радиотракта имеет меньший коэффициент модуляции, так как коэффициент γ < 1. Это объясняется тем, что боковые составляющие спектра сигнала усиливаются меньше, чем составляющие несущей частоты. Изменение коэффициента модуляции существенно зависит от модулирующей частоты, чем выше Ω, тем больше снижается m. С уменьшением коэффициента модуляции падает уровень низкочастотного сигнала модуляции на выходе детектора. Если сигнал на входе приёмника модулирован суммой частот, то для каждой составляющей спектра изменение коэффициента модуляции будет различным, и поэтому будет иметь место частотные искажения.

Рис. 25.1. Прохождение спектра сигнала через селективную систему.

 

При неточной настройке радиотракта на несущую частоту сигнала (рис. 25.1, б) спектр напряжения на выходе радиотракта становится несимметричным, так как одна боковая составляющая усиливается больше, чем другая. Возможно даже полное подавление одной боковой составляющей. В этом случае огибающая несущего колебания будет изменяться уже не по синусоидальному закону, и после детектирования появляются нелинейные искажения сигнала. Кроме того, согласно выражению (8.2) в огибающей напряжения выходного сигнала появляется фазовый сдвиг, зависящий от частоты модулирующего сигнала, поэтому после детектирования напряжение будет иметь вид:

(8.3)

Следовательно, от характера фазочастотной характеристики радиотракта зависят сдвиги спектральных составляющих сигнала на выходе детектора. Если ФЧХ для рассматриваемой части спектра линейна, т. е. φ = τΩ, то

 

,(8.4)

т. е. имеет место только групповое запаздывание сигнала. Если же ФЧХ не линейна, то возникают фазовые искажения, особенно опасные при приёме телевизионного изображения.

 

3. Искажения сигнала из – за нелинейности элементов радиотракта.

Характеристики электронных приборов радиотракта для малых сигналов являются линейными. Однако при приёме сильных сигналов могут проявляться их нелинейные свойства. Из рис. 25.2 следует, что при синусоидальном изменение амплитуды входного сигнала изменение выходного сигнала уже несинусоидально.

Рис. 25.2. Характер влияния нелинейности ВАХ электронного

прибора на искажения сигнала.

 

Для уменьшения уровня таких искажений необходимо применять приборы с широким линейным участком ВАХ и не допускать чрезмерного увеличения амплитуды входного сигнала.


26. Особенности приёма непрерывных ЧМ сигналов.

При частотной модуляции частота несущего колебания изменяется пропорционально величине передаваемого сигнала, а амплитуда несущего колебания остаётся неизменной. Угловая частота и фаза колебания связаны между собой соотношением:

 

(8.5)

(8.6)

При частотной модуляции одним гармоническим колебанием с частотой Ω выражение для частоты модулированного колебания имеет вид:

(8.7)

Из – за изменения частоты меняется и фаза колебания:

(8.8)

При модуляции ВЧ колебания одной гармоникой и при условии =0

 

, (8.9)

 

где -индекс модуляции.

 

Ширина спектра УМ сигнала может быть оценена по формуле:

, (8.10)

Где Fmax – максимальная модуляционная частота.

При модуляция называется узкополосной,

при -широкополосной.

 

Узкополосная ЧМ применяется в служебной и низовой радиосвязи, широкополосная – при высококачественном радиовещании и для звукового сопровождения телевизионных передач.

В телевидении в радиовещании Однако спектр сигнала при широкополосной модуляции занимает очень широкую полосу, поэтому передача сигналов с ЧМ осуществляется в УКВ диапазоне.

Структурная схема приёмника ЧМ сигналов практически не отличается от схемы обычного супергетеродинного приёмника АМ сигналов, только вместо амплитудного применяется частотный детектор. В приёмнике ЧМ сигналов даже при отсутствии помех могут возникать искажения сигнала. Основными причинами искажений являются:

1. Искажения сигнала в радиотракте.

Предположим, что на входе радиотракта РПУ с известными АЧХ и ФЧХ действует ЧМ сигнал вида:

(8.11)

Поскольку спектр ЧМ сигнала весьма широк, и существенно больше полосы пропускания радиотракта, то сигнал на выходе тракта будет отличаться от входного сигнала. Для каждого мгновенного значения частоты ЧМ в соответствии с АЧХ существует свой коэффициент усиления К(ω) и фазовый сдвиг φ[ω(t)] (см. рис. 8.3).

 

(8.12)

Сравнение выражений (8.11) и (8.12) позволяет выявить различия между Uвх и Uвых, определяющие искажения ЧМ сигнала. Из рис. 26.1 следует, что К(t) радиотракта изменяется с удвоенной частотой модуляции Ω, а фаза φ(t) – с частотой модуляции. Таким образом, при прохождении ЧМ сигнала через радиотракт возникает паразитная амплитудная модуляция. Амплитудную модуляцию в приёмнике устраняют с помощью амплитудного ограничителя. При расстройке приёмника относительно центральной частоты коэффициент усиления К(ω) изменяется в значительно большей степени. Кроме амплитудно – частотных искажений, из – за изменения во времени φ(t) в радиотракте возникает ещё и паразитная фазовая модуляция. Так как ФЧХ радиотракта нелинейна, то фаза φ(t) меняется не строго по гармоническому закону. Изменение фазы вызывает приращение частоты выходного напряжения. Если частота на входе изменяется по закону:

(8.13)

то на выходе она будет изменятся по закону:

(8.14)

где δω(t) = dφ(t)/dt.

Таким образом частота на выходе радиотракта будет изменяться уже не по закону cosΩt, т. е. сигнал будет искажён.

 

Рис. 26.1. Характер искажений ЧМ сигнала при прохождении

через радиотракт приёмника.

 

2. Искажения ЧМ сигнала при детектировании.

Нелинейные искажения в приёмнике ЧМ сигналов могут возникать и при детектировании. Причин может быть несколько.

Во–первых, если сигнал на входе частотного детектора имеет паразитную амплитудную модуляцию, то она будет проявляться и на выходе.

Во–вторых, искажения могут быть вызваны кривизной рабочего участка характеристики частотного детектора.

В–третьих, причиной может стать несоответствие полосы изменения частоты ,ширина рабочего участка детектора (рис. 26.2) или неточная настройка приёмника на среднюю частоту.

 

Рис. 26.2. Характер возможных искажений ЧМ сигнала

при детектировании.

 

3. Действие помех при приёме ЧМ сигнала.

Предположим, что на выходе линейного тракта приёмника действует сигнал ипомеха , частота помехи близка к частоте сигнала, . При сложении двух колебаний, как следует из векторной диаграммы (рис. 8.5) амплитуда результирующего колебания меняется во времени от до с частотой биений . Помимо изменения амплитуды помеха вызывает и “качание” вектора результирующего напряжения относительно вектора сигнала, т. е. приводит к появлению фазовой, а следовательно, и частотной модуляции с девиацией фазы .

 

Рис. 26.3. Векторная диаграмма взаимодействия

сигнала и помехи.

 

Эффективным средством борьбы с паразитной амплитудной модуляцией, вызываемой действием помех при приёме ЧМ сигналов является применение амплитудных ограничителей. Для ослабления действия паразитной частотной модуляции необходимо, чтобы девиация частоты за счёт паразитной частотной модуляции была во много раз меньше девиации частоты полезного сигнала, для этого нужно увеличивать девиацию частоты. Ослабить действие помехи можно увеличением мощности передатчика, т.е. выполнением условия .


 









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2019 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.