Следящий фильтр-демодулятор Советский патент 1984 года по МПК H03H21/00 H03D3/04 

110 Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в различных радиотехнических устройствах, в частности в устройствах синхрониз-ации частоты и фазы. Известен следящий фильтр-демодулятор с использованием системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с улучшенными динамическими характеристиками, такими как большая полоса захвата и малое время вхождения в синхронизм при узкой полосе пропускания. Улучшение динамических характеристик ФАПЧ производится за счет линеаризаци характеристики фазового детектора до 15 размеров линейного участка, превыша щих 360°СП. Недостатки данного устройства обусловлены некачественной в состав всей системы работой первичного фазового детектора, который доллсен производить первичную нелинейную об работку входного сигнала на основе идеальной пилообразной характеристики. Наиболее близким техническим решением к предполсенному по технической сущности является следящий филь демодулятор, содержащий последовательно соединенные реверсивньй счет чик и цифро-аналоговый преобразователь, последовательно соединенные первьй фильтр нижних частот, управляемый генератор, выход которого яв ляется выходом следящего фильтра- де модулятора, фазовый детектор и втор фильтр нижних частот, а также коммутатор, при этом другой вход фазов го детектора является входом следящ го фильтра-демодулятора, выход первого фильтра нижних частот соединен с входом управляемого генератора,с другим входом которого соединен выход второго фильтра нижних частот, а коммутатор выполнен в виде блока выделения разностной частоты t2. S известном следящем фильтре-демодуляторе применяется комбинированное управление частотой управляемого генератора (УГ) за счет двух петель обратной связи. Первая петля обратно связи,как и в обычной ФАПЧ состоит из фильтра нижних частот (ФНЧ), УГ и фазового детектора с нелинейной периодической характеристикой. При этом необходимо, чтобы характеристика фазового детектора была пилообразной. Но при реализации указанной 8 характеристики существуют значительные трудности, причем реальная характеристика отличается от пилообразной из-за наличия обратного участка. Первая петля является узкополосной и предназначена для -обеспечения необходимых фильтрующих свойств данной системы. Поэтому она ,как и в обычной нелинейной системе ФАПЧ,имеет узкую полосу захвата. Для расщирения полосы захвата имеется вторая петля, состоящая из блока Бьщеления разностной частоты, ревер :ивного счетчика с цифро-аналоговым преобразователем, второго фильтpa нижних частот и УГ. При этом последовательно соединенные блок выделения разностной частоты, реверсивньй счетчик и цифро-аналоговый преобразователь образуют эквивалентньй )второй фазовьй детектор, выходное напряжение которого изменяется дискретно, пропорционально фазовой ошибке 360°п (п 0,1,2,...), т.е. количеству периодов частоты биений между сигналами входной и опорной частот. Суммирование выходных напряжений обоих фильтров нижних частот осуществляется в УГ, в результате чего данная комбинированная двухпетлевая система ФАПЧ имеет независимые друг от друга полосы захвата и пропускания. Недостатком известной системы и следящего фильтра-демодулятора на ее основе является наличие частотного порога у блока выделения разностной частоты, которьй образован импульсными элементами - триггерами. Триггеры имеют ограниченное, конкретное для данной элементной базы, быстродействие, поэтому минимальная разность частот, определяемая триггерами, может быть определена из следующего соотношения: где f-) частота сигнала; fg частота УГ. Так как f 1/Т, а f 1/(Т+ ) , то из (1) можно получить для миниальной разностной частоты: fm.-n --здесь fmoix-l/t.viitt максимальная частота триггеров. Например, для f.) 10 кГц, ,x 10 мГц (микросхемы 155 серии) , 10. Гц. Поэтому при использовании данной системы в качестве следящего фильтра или демодулятора возникают ограничени на минимальную полосу пропускания системы, происходит нарушение следящего режима при частотной расстройке превьшающей полосу удержания первой петли. В следящем фильтре это приводит к увеличению паразитной фазовой модуляции выходного колебания, а в демодуляторе - к появлению нелинейных искажений выходного сигнала и дополнительных шумов, т.е. ухудшению помехоустойчивости всего устройства. Значительному расширению полосы удержания первой петли могут препятст вовать технические ограничения на величину элементов первого ФНЧ при увеличении его постоянной времени. Кроме того, повьш1ение порядка.нелинейной системы ФАПЧ приводит к увеличению времени переходных процессов т.е. времени вхождения в синхронизм. Наличие двух фазовых детекторов приводит к увеличению необходимой номинальной входной мощности сигнала понижению, чувствительности, что может оказать существенное влияние, например, в диапазоне СВЧ, где возникают определенные трудности при созда нии мощных и экономичных широкополос ньпс усилителей. Цель изобретения - повьваение поме хоустойчивости, быстродействие и чув ствительности. Цель достигается тем, что в следящий фильтр-демодулятор, содержащий последовательно соединенные реверсив ный счетчик и цифро-аналоговый преобразователь, последовательно соединенные первьш фильтр нижних частот, управляемьш генератор, выход которог является выходом следящего фильтрадемодулятора, фазовый детектори вто рой фильтр нижних частот, а также коммутатор, при этом другой вход фазового детектора является входом следящего фильтра-демодулятора, введены управляемый фазовращатель, сумматор и фильтр промежуточной частоты включенный между выходом коммутатора и входом реверсивного счетчика,выход цифро-аналогового преобразователя подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом коммутатора, а выход сумматора 1 584 подключен к входу первого фильтра нижних частот, выход второго фильтра нижних частот соединен с входами коммутатора и управляемого фазовращателя, выход которого подключен к управлян5щему входу коммутатора, а управляющий вход управляемого фазовращателя подключен к выходу цифро-аналогового преобразователя. На фиг.1 приведена структурная электрическая схема предложенного следящего фильтра-демодулятора; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие его работу. Следящий фильтр-демодулятор содержит коммутатор 1, фильтр промежуточной частоты (ФПЧ) 2, реверсивный счетчик 3, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 4, сумматор 5, первый фильтр нижних частот (ФНЧ) 6, управляемый генератор (УГ) 7, фазовый детектор (ФД) 8, второй фильтр нижних частот (ФНЧ) 9, управляемый фазовращатель 10, причем коммутатор 1 состоит из двух ключей 11 и 12 и вычитателя 13. Следящий фильтр-демодулятор работает следующим образом. Работа фильтра-демодулятора основана на линеаризации нелинейного уравнения обычной системы ФАПЧ: : St (fl®(T:) где 51 начальная частотная расстт ройка; Й - полоса удержания; ® - операция свертки; ((f - импульсная характеристика ФНЧ 6 в обратной связи; F (Ч)- характеристика фазового детектора (ФД) 8. В данном случае линеаризуется - арактеристика F (4) не только в режиме захвата, но и в режиме слежения, когда частотная расстройка превьш)ает полосу удержания. На выходе ФД 8 с характеристикой, близкой к треугольной форме (такую характеристику можно получить в векторных ФД), после ФНЧ 9 имеется квазигармоническое напряжение с переменным периодом (кривая 14, фиг.2). Такая форма напряжения будет как в режиме захвата, так и в режиме апежения, например, за частотно-модулированной несущей, если при этом мгновенная фазовая ошибка значительно превышает 360. С выхода ФНЧ 9 напряжение поступает на коммутатор 1 и управляемый фазовращатель 10, в составе которого имеется биполярный усилитель-ограничитель. Он осуществляет широкополосный сдвиг напряжения на 9(Л При этом установление опережения или отста вания по фазе относительно входного напряжения производится с помощью управляющего входа. Приведенная на фиг.2 кривая 15 опережает исходную опережения или отста ка 90. Режим . вания не имеет принципиального значения, так как для устойчивой замкну той системы, описываемой уравнением (3), йеобходимо, чтобы обратная связь имела отрицательный характер, т.е. произведение коэффициентов передач отдельных звеньев, входящих в замкнутую систему, бьшо бы положительным. Изображенные на фиг.2 кривы

соответствуют положительной начальной расстройке, при этом в коммутаторе 1 реализуется алгоритм

-- ((t)u,,(t),

U)

Bblx.Kow

6х 25

(t)

где и. - напряжение на выходе

вых.ком

коммутатора 1; 0(t) - напряжение входного

сигнала;

(-fc) - напряжение на выходезо управляемого фазовращателя ,

так,что произведение 5фд К коммутатора , где 5ФД - крутизна характеристики ФД, К - коэффициент передачи, не- 5 смотря на наличие участков с отрицательной крутизной в характеристике : ФД 8.

Выходное напряжение коммутатора 1 имеет вид кривой 16 (фиг.2). Фронт напряжения коммутатора 1 определяется в основном, быстродействием управляемого фазовращателя 10 и коммутатора 1. Поэтому элементную базу этих узлов MOiKHO выбрать так, что на выходе ФПЧ 2 будут выделяться импульсы (кривая 17, фиг. 2), амплитуда которых равна величине перепада выходного напряжения коммутатора 1. Эти импульсы запускают реверсивный счетчик 3 50 с цифро-аналоговым преобразователем 4, на выходе которого формируется (Ступенчатое напряжение (кривая 18, фиг.2), которое, суммируясь в сумматоре 5 с выходным напряжением ком- 5S мутатора 1 после дополнительной фильтрации ФНЧ 6, создает напряжение (кривая 19, фиг.1), управляющее частотой

значительно превьшает остальные импульсы, так каклЦ д . Таким образом, в предлагаемом следящем фильтре-демодуляторе обеспечивается сдвиг фаз на 90° в очень широком диапазоне частот, которые сниз не имеют принципиального ограничения а сверху могут простираться до частоты среза ФНЧ 9.

Введение управляемого фазовращателя 10 после фазового детектора .8 позволяет улучшить также важные показатели качества следящего фильтрадемодулятора, как помехоустойчивость быстродействие и потребляемая от источника сигнала мощность. По сравнению с прототипом, а также с другими аналогичными устройствами, имеющими дополнительный квадратурный канал разностной частоты, в предлагаемом следящем фильтре-демодуляторе к источнику сигнала, а также к УГ подключен только один ФД. Это позволяет снизить потребляемую от источника сигнала мощность (т.е. повысить чувствитель.ность) примерно в два раза, так как и эквивалентный ФД, и другие типы дополнительных ФД особенно в диапазоне СВЧ имеют одинаковые входные импедансы.

Помехоустойчивость предлагаемого следящего фильтра-демодулятора по сравнению с известными повьшается также и потому, что у него формирование сдвинутого напряжения производится уже после первичной обработки .входного колебания, такого как ,на;ример, смеси полезного сигнала с УГ 7. В результате указанных операций в следящем фильтре-демодуляторе производится расширение (линеаризация) монотонного участка характеристики ФД 8 до значений 2J/N (N - емкость реверсивного счетчика 3). Режиму, когда в начальный период работы сдвиг фаз в управляемом фазовращателе 10 установлен неправильно, соответствует кривая 20 (фиг.2), при этом первоначально обратная связь будет положительной (ПОС), система становится неустойчивой, реверсивньй счетчик 3 переполняется и в нем происходит в момент t сброс (на фиг.2 показан случай нулевой частотной расстройки). Выделенный, например, с помощью дифференцирующей цепи импульс (кривая 21, фиг.2) пе опережение-отставаниереключения белым шумом. При этом вследствие рёлеевского закона плотности вероятностей амплитуд существует вероятность близких к нулю амплитуд (эта вероятность увеличивается с уменьшением отношения сигнал/шум). В извест ньк аналогах с формированием напряжений в фазовой квадратуре на несущей частоте выходное напряжение коммутатора 1 формируется как (t)A{t)sinx(t)sig-n / {t)cosx(tH, вых.ком где A(t) - амплитуда смеси; x(i) - фазовая ошибка в системе Л постоянное смещение, обус ловленное неточностью установки нулевого уровня срабатывания функционального узла, формирующего функцию sign (), наприме компаратора или триггера Шмитта. Как следует из выражения (5), нул функции .(t) cos х (t) +43, в которых происходит переключение коммутатора 1 и постоянное формирование отрицательной обратной связи следящей петли, определяются также соотношением величин A(t) и Д . Поэтому при близких значениях их модулей, но различных знаках может произойти неправильное переключение коммутатора 1, т.е. система перейдет в регенеративный режим до нового переключе ния. Таким образом, устройствам с алгоритмом (5) свойственно нарушение нормальной работы, что прежде отражается на ухудшении помехоустойчивост В предлагаемом следящем фильтредемодуляторе же сдвинутое напряжение формируется как Фвр 1 т«х Г 1 4. (Ь При ЭТОМ минимальным значениям ACt) соответствует максимальное значение ) arc sin x(t)} , x(t) Ф TO нули зна 0, и так как A«N кооой функции уже не зависят от соот , ношения A(t) и &. Количественно это . выигрьш m молсно оценить, определив, соответствующие условные вероятности i л АW(/ /90°dA|Uw(A/( f . . j I рМ&о } 109 где «/(А/90),W( А/ISO) -условные плотности вероятности соответственно для фазовых ошибок 90 и 180. Например, дляр 7 согласно (7) m 3 (р - входное отношение сигнал/шум) . Введенный управляемый фазовращатель 10 позволяет также повысить быстродействие, так как при формировании квадратурных напряжений на несущей частоте, необходим на эту частоту широкополосный фазовращатель на +90.. Создание фазовращателя на реактивных элементах в отличие от фазоразностной цепи с большим перекрытием по частоте представляет сложную техническую задачу. Данный управляемьй фазовращатель 10, выполняющий операцию .(см. формулу 6) со8ГА(с) arcsin x(t)3, может быть реализованна безынерционных элементах, обладающих достаточной широкополосностью. Для повьш1ения помехоустойчивости введен ФПЧ 2. Его полоса пропускания выбирается таким образом. Чтобы пропустить у выходного напряжения коммутатора 1 только спектр перепадов от ФАтйХ ° ФАтах При этом фильтРЗются как помехи, спектр которых расположен в более низкочастотной области (в области возможных начальных частотных расстроек), так и паразитные импульсы, возникающие при коммутации цепей внутри кo 5мyтaтopa 1 и управляемого фазовращателя 10. Последние вызваны несимметрией парафазных структур этих устройств и их спектры находятся выше спектров перепадов. Таким образом, с помощью ФПЧ 2 устраняется ложный запуск реверсивного счетчика 3, т.е. увеличивается помехоустойчивость. .С помощью сумматора 5 улучшается работа следящего устройства, в котором в качестве УГ 7 применяется генератор с варикапом, имеющим нелинейную характеристику управителя частоты. В предпоженном следящем фильтреемодуляторе после сумматора 5 формируется непрерывное напряжение управления частотой УГ7 (кривая 19, фиг.2), при этом возникгЬощие разрывы вследствие задержки сигналов в обеих петлях обратной связи (ОС) могут быть сглажены ФНЧ 6. В прототипе суммирозание происходит непосредственно в контуре УГ. Приращения частоты Д-f в этом случае для приращения фазовой ошибки на 360 соответственно для узкополосной и широкополосной петле ОС () . Д,-ЛС,/20,), где GO емкость варикапа; , ЛС - приращение емкости. В выражении (8) 4С const, так как оно определяется максимальным значением выходного напряжения ФД при постоянном напряжении смещения на первом варикапе. На втором варикапе, приращение 4 С которо го определяет приращение df , малы приращения напряжения ЦАП при изменении кода реверсивного счетчика на один импульс также одинаковые, но р :бочая точка нелинейной вольт-амперной характеристики определяется состоянием реверсивного счетчика,т. начальн рй частотной расстройкой. Поэтому приращение емкости иС2, а з чит |,и приращения частоты по второй гпетле ОС зависят от частотной расст ройки. Поэтому суммирование напряжений в контуре приведет к появлению паразитной фазовой модуляции у коле.баний УГ, величину которой можно оце нить следующим Ьбразом. Подобная паразитная фазовая модуляция -физически объясняется тем, что при неко тором значении статистической фазов ошибки, обусловленной наличием частотной расстройки, управление часто той УГ происходит при одновременных переключениях в обеих ветвях. При Э.ТОМ из-за указанного выше эффекта нарушается линейный режим слежения фазы УГ за фазой входного сигнала , т. е. появляется дополни тельная собственная модуляция фазы УГ. Количественно это определяется из следующего соотношения : , , .n (.п) Так как модули Mf, / и при использовании почти всей вольтфарадной характеристики современных варикапов из-за ее значительной нелинейности отличаются в 2-3 раза. то паразитная фазовая модуляция УГ в самьк неблагопрй1 тных случаях бпч ка к 100%. 1 8 Таким образом, используемый в прототипе способ суммирования в УГ, имеющем нелинейную характеристику управителя частоты, .является технически неприемле1« м. В качестве базового устройства может служить нелинейная система ФАПЧ с периодической характеристикой фазового детектора и пропорциональноинтегрирующим фильтром низких частот в цепи обратной связи. Такая система ФАПЧ в настоящее время широко применяется в различных радиотехнических устройствах, так как у нее полоса пропускания может быть выбрана относительно независимо от полосы захвата. Однако при больших соотношениях полоса захвата / полоса пропускания в данной ФАПЧ время вхождения в синхронизм существенно возрастает. Так, например, если определенное выше соотношение составляет около 1000, то время вхождения для ФАПЧ будет больше времени для предлагаемого следящего фильтра-демодулятора с такой же полосой пропускания более чем на порядок. Время для ФАПЧ при больших соотношениях полоса захвата/полоса пропускания имеет сильно выраженную степ€:нную зависимость от начальной расстройки. Для предлагаемого следящего фильтра-демодулятора это время, определяемое из выражения (3), находится как логарифм начальной расстройки: вхожА - 2;ТЯ,|«„(1-.,/2;г), Т 2/т/я,,, где Ч - остаточная фазовая ошибка. В этом случае время мало зависит от начальной расстройки, это различие является основным техническим преимуществом предлагаемого следящего фильтра-демодулятора по сравнению с базовым, так как от времени вхождения в синхронизм зависит время подготовки всей радиотехнической или какой-либо другой системы к оперативной работе. Так, например, в радионавигационных морских устройствах применение такого устройства увеличивает надежность правильного определения координат судна, что уменьшает вероятность посадки судов на мель, вероятность столкновения судов, т.е. увеличивает безопасность морского судовождения.

П

fi

х

УФВР

СЛЕДЯЩИЙ ФИЛЬТР-ДЕМОДУЛЯТОР, содержащий после 1;овательно соединённые реверсивный счетчик и цифро-аналоговый преобразователь, последовательно соединенные первьй фильтр нижних частот, управляемьм генератор-, выход которого является выходом, следящего фильтра-демодулятора, фазовьш А-л 13 MMmiEKf детектор и второй фильтр нижних частот, а также коммутатор, при этом другой вход фазового детектора является входом следящего фильтра-демодулятор-а, о тлич ающий с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, быстродействия и чувствительности, в него введены управляемый фазовращатель, сумматор и фильтр промежуточной частоты, включенный между выходом коммутатора и входом реверсивного счетчика, выход цифро-аналогового -преобразователя подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом коммута§ тора, а выход сумматора подключен к входу первого фильтра нижних частот, (Л выход второго фильтра нижних частот С соединен с входами коммутатора и управляемого фазовращателя, выход коток рого подключен к управляющему входу с коммутатора, а управляюгдай вход управляемого фазовращателя подключен к выходу цифро-аналогового преобразоваО со теля.. . СП оо ел 00

4/1/

к-р

{Z)/74f 17

ггт

ЦЩ У.

W

21

|1П I I г г I I I

Импульс „ Опережениеs/nc/7 aSfff/i/

Й/г.2