СХЕМА ФАЗОВОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ Российский патент 2006 года по МПК H03L7/00 

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 (ω_c) сигнального генератора, состоящая из подстраиваемого генератора (с частотой (ω_пг), смесителя, усилителя промежуточной частоты, фазового детектора, эталонного генератора (с частотой ω_э), усилителя постоянного тока (известны и частные случаи, когда усилитель постоянного тока может отсутствовать) и фильтра нижних частот. В режиме захвата промежуточная частота (ω_п) в известном кольце равняется эталонной частоте (ω_э, т.е. ω_п=ω_пг-ω_c=ω_э). Таким образом, частота подстраиваемого генератора в известном кольце равна сумме частот входного высокостабильного по частоте сигнала и эталонного генератора (т.е. ω_пг=ω_с+ω_э). 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 (ω_пг=ω_с+ω_э).

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 ω_пг, равной высокостабильной частоте ω_с 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. ω_пр=ω_с). 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 ω_пг и модулирующее напряжение кварцевого генератора сдвига с частотой ω_q, появляется возможность в режиме захвата формировать два колебания высокостабильной частоты, одно из которых является выходным колебанием подстраиваемого генератора с частотой ω_пг=ω_с, а другое - колебанием однополосного амплитудного модулятора с частотой ω_OAM=ω_с+ω_q.

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

ϕ_c(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 ν_пг(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 K_упч - 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;

S_пг - 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 Ω_у (как известно, полосой удержания Ω_y 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;

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

Ω - круговая частота, в рад/с;

j - мнимое число;

ϕ_с(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 «К_упч» раз больше крутизны фазового детектора схемы ФАПЧ традиционного решения - прототипа.

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

Для неискаженного фазового детектирования устанавливают параметры кольца ФАПЧ таковыми, что S_пг S_фд К_упт К_фнч(j Ω)/j Ω «1, и тогда достигается примерное соответствие значения спектра выходного напряжения усилителя постоянного тока 8 u₈(j Ω)≅S_фдК_уптϕ_c(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 ν_c(j Ω) - спектр модуляции частоты, в

Для неискаженного частотного детектирования устанавливают параметры кольца ФАПЧ таковыми, что S_пгS_фд К_упт К_фнч(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

ν_пг(j Ω)=В(j Ω)ν_с(j Ω),

где - безмерный коэффициент преобразования.

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

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.

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.