Устройство фазовой автоподстройки частоты Советский патент 1992 года по МПК H03L7/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в следящих устройствах приема и обработки радиосигналов, в угловых демодуляторах.

Известно устройство, содержащее соединенные последовательно входной смеситель, резонансный фильтр промежуточной частоты, фазовый детектор, сумматор, усилитель постоянного тока, фильтр нижних частот, выход которого соединен со вторым входом сумматора через аттенюатор и с управляющим входом подстраиваемого генератора, выход которого соединен со вторым входом входного смесителя.

Недостатком устройства является то, что улучшение его фильтрующих свойств путем сужения полосы пропускания резонансного фильтра промежуточной частоты и/или выходной цепи фазового детектора приводит к сужению полосы захвата и ухудшению динамических характеристик устройства.

Известно устройство, содержащее соединенные в кольцо входной смеситель, фазовый детектор, усилитель постоянного тока, фильтр нижних частот и первый подстраиваемый генератор, а также включенную между выходом усилителя постоянного тока и вторым входом фазового детектора цепочку из фильтра верхних частот и второго подстраиваемого генератора. Выход пср- вого подстраиваемого генератора подается на первый, а выход второго подстраиваемого генератора через резонансный фильтр - на второй входы второго смесителя, выход которого является выходом устройства.

В известном устройстве коэффициент передачи вход - разность фаз на входах фазового детектора равен соответствующему коэффициенту передачи бесфильтрового устройства ФАПЧ, Фильтрующая способность известного устройства, оцениваемая по дисперсии фазы выходного сигнала при больших отношениях сигнал/шум, при сужении полосы пропускания фильтра

сл

с

VI VI

ел

00

ел ел

нижних частот повышается. Сужение полосы пропускания резонансного фильтра, необходимое для улучшения фильтрующих свойств, не приводит к сужению полосы захвата устройства

Недостатком устройства является то, что его помехоустойчивость, оцениваемая по вероятности срыва синхронизации при малых отношениях сигнал/шум, остается на уровне бесфильтрового устройства ФАПЧ, то есть очень низкой,

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство фазовой авто подстройки частоты, содержащее последовательно соединенные входной смеситель, узкополосный фильтр и фазовый детектор, к другому входу которого подключен опорный генератор, и усилитель постоянного тока, а также последовательно соединенные фильтр нижних частот и подстраиваемый генератор, выход которого подключен к гетеродинному входу входного смесителя. Недостатком устройства является то, что повышение его помехоустойчивости путем сужения полосы пропускания узкополосного фильтра приводит к сужению полосы захвата и ухудшению динамических характеристик устройства.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости при сохранении малой динамической ошибки.

Сущность изобретения заключается в том, что при сужении полосы пропускания узкополосного фильтра, включенного в выходную цепь входного смесителя, значительно уменьшаются отклонения разности фаз сигнапов на входах фазового детектора, вызванные быстрыми изменениями фазы входного си гнала или действия помех. Соответствующее уменьшение напряжения на выходе фазового детектора и напряжения на входе подстраиваемого генератора компенсируется пропорционально-дифференцирующим фильтром верхних частот, включенным во входной цепи подстраиваемого генератора. Такая компенсация дает возможность сохранить полосу захвата и динамические свойства устройства, а уменьшение разности фаз сигналов на входах фазового детектора позволяет при воздействии интенсивной шумовой помехи значительно снизить вероятность выхода за пределы линейного участка характеристики фазового детектора, и, следовательно, снизить вероятность перескока фаз и срыва синхронизма,

На фиг. 1 представлена функциональная схема предложенного устройства, на фиг. 2 - функциональная схема возможной реализации узкополосного фильтра по схеме квадратурного фильтра, на фиг. 3 - годограф нормированного отношения комплексной амплитуды сигнала на выходе фазового детектора к комплексной амплитуде сигнала, модулирующего по фазе входной сигнал. Устройство фазовой автоподстройки частоты содержит соединенные последовательно входной смеситель (1), узкополосный фильтр (2), фазовый детектор (3), к другому

0 входу которого подключен опорный генератор (4), усилитель постоянного тока (5), пропорционально-дифференцирующий фильтр (6) верхних частот, фильтр (7) нижних частот и подстраиваемый генератор (8), выход ко5 торого подключен к гетеродинному входу входного смесителя (1) и к гетеродинному входу выходного смесителя (9), опорный вход которого соединен с выходом опорного генератора (4).

0 Уэкополосный фильтр(2) выполнен в виде синхронно-фазового фильтра (см. фиг., 2), содержащей два идентичных канала из последовательно соединенных смесителей (10, 11), гетеродинные входы которых обье5 динены с гетеродинным входом фильтра (2), пропорционально-интегрирующих фильтров нижних частот (12, 13) и смесителей (14, 15), выходы которых являются входами выходного сумматора (16), причем опорные

0 входы смесителя (10) и (15) - через фазовращатель (17) на П/2 с опорным входом фильтра (2). При такой реализации фильтра (2) его опорный вход соединяется с выходом генератора (4),

5 Устройство работает следующим образом

В установившемся синхронном режиме в отсутствие помех на выходе - смесителя (1) присутствует сигнал, частота которого

0 равна частоте опорного генератора (4), а фаза зависит от разности частот входного сигнала и генератора (8). Параметры фильтра (2) подобраны такими, чтобы он не вносил фазового сдвига на опорной частоте, Фазовый

5 детектор (3 преобразует фазу сигнала на выходе фильтра (2) в постоянное напряжение, которое усиливается усилителем (5) и через пропорционально-дифференцирующий фильтр (6) верхних частот, параметры

0 которого обеспечивают конечное значение коэффициента передачи на нулевой частоте, и фильтр (7) нижних частот, не влияющий на сигнал нулевой частоты, подается на управляющий вход генератора (8), поддерживая

5 постоянной разность его частоты и частоты входного сигнала.

Для описания динамических свойств устройства рассмотрим его работу в переходном режиме, вызванном скачкообразным изменением фазы входного сигнала (например, при фазовой манипуляции). Фаза сигнала на выходе смесителя (1) изменится скачком на ту же величину, что и фаза входного сигнала. Параметры фильтра (2) обеспечивают конечный коэффициент передачи при больших расстройках частоты сигнала на его входе и резонансной частоты фильтра. Поэтому фаза сигнала на выходе фильтра (2) скачком изменится на некоторую малую величину, а затем будет постепенно нарастать до величины изменения фазы входного сигнала, причем время нарастания определяется постоянной времени пропорционально-интегрирующих фильтров в каналах фильтра (2). По такому же закону (малый скачок) и постепенное нарастание (буде изменяться напряжение на выходе фазового детектора (3) и усилителя (4). На выход пропорционально-дифференцирующего фильтра (6) верхних частот начальный скачок напряжения передается без изменений, а последующее нарастание ослабляется и в установившемся режиме пропорционально произведению величины изменения фазы входного сигнала на коэффициент передачи фильтра (6) по постоянному току.

Рассмотрим тепеоь описанные процессы в частотной области при изменениях фазы входного сигнала, меньших диапазона монотонности характеристики фазового детектора. Высокочастотные по сравнению с полосой фильтра (2) составляющие изменения фазы входного сигнала ослабляются фильтром (2) и затем без изменения передаются на выход пропорционально-дифференцирующего фильтра (6) верхних частот. Низкочастотные составляющие без изменения проходят на выход фильтра (2), а затем ослабляются фильтром (6). При соответствующем подборе параметров (2) и (6) это ос- лабление равномерно по всему частотному диапазону и компенсируется усилителем (5) постоянного тока. Таким образом, подбором параметров фильтра (6) обеспечивается передача изменений фазы (в том числе и скачка фазы) входного сигнала на вход фильтра (7) без искажений.

Покажем возможность такого подбора параметров фильтров (2) и (6) на примере использования синхронно-фазового фильтра в качестве фильтра (2). На фиг. 3 изображен годограф нормированного отношения комплексных амплитуд сигнала на выходе фазового детектора (3) и сигнала, модулирующего по гармоническому закону фазу входного сигнала, при индексах модуляции менее 30°, 60° и 90° (кривые 1, 2 и 3 соответственно) при разомкнутой цепи управления. Анализ годографа показывает, что

коэффициент передачи фаза входного сигнала - выход фазового детектора с достаточной для практики точностью совпадает с комплексной частотной характеристикой

пропорционально-интегрирующих фильтров (12, 13) нижних частот, использованных в каналах квадратурного фильтра. Это означает, что при использовании в качестве фильтра (6) пропорционально-дифференци0 рующего фильтра, комплексный коэффициент передачи которого обратен коэффициенту передачи фильтров (12, 13), коэффициент передачи фаза входного сигнала -выход фильтра (6) является действи5 тельной постоянной величиной, независящей от частоты.

С выхода фильтра (6) сигнал рассогласования подается ка вход фильтра (7) нижних частот, отфильтровывается в нем of помех и

0 подается на вход подстраиваемого генератора (8), изменяя его частоту в направлении уменьшения рассогласования разности фаз входного сигнала и генератора (8). Выходной сигнал генератора (8) подается также на

5 гетеродинный вход выходного смесителя (9), на опорный вход которого подается сигнал генератора (4), и на выходе смесителя (9) получается сигнал, синхронный с выходным сигналом с точностью до фазы.

0 Таким образом, внешние характеристики предлагаемого устройства в установившемся режиме, в переходном режиме и при приеме фазомодулированного сигнала полностью совпадают с характеристиками изве5 стного устройства ФАПЧ (3), а его полоса пропускания, полоса захвата и динамические характеристики определяются петлевым коэффициентом усиления и параметрами фильтра (7) нижних частот.

0 При воздействии на вход устройства интенсивной шумовой помехи на выходе смесителя (1) присутствует сигнал, дисперсия фазы которого пропорциональна интенсивности шума на входе. Постоянная времени

5 фильтра (2) выбрана значительно большей времени корреляции шумовой помехи, поэтому случайные выбросы фазы сигнала на входе фильтра (2) не успевают установиться на его выходе, и дисперсия фазы сигнала на

0 выходе фильтра (2) значительно меньше, чем на его входе. Это приводит к уменьшению вероятности выброса разности фаз сигналов на входах фазового детектора (3)за пределы +П/2., то есть к снижению вероят5 ности срыва синхронизма. После прохождения сигналом рассогласования усилителя (5) и пропорционально-дифференцирующего фильтра (6) верхних частот дисперсия управляющего напряжения на входе генератора (8) увеличивается до значений, соответствующих аналогичным значениям в известных устройствах 2,3 и, следовательно, отношение дисперсии фазы сигнала на выходе смесителя (9) к интенсивности шума на входе устройства пропорционально полосе пропускания устройства. Однако, в заявляемом устройстве зта пропорциональность сохраняется при значительно больших значениях интенсивности шума на входе устройства.

Таким образом, в заявляемом устройстве реализована возможность независимого регулирования динамических свойств и фильтрующей способности с одной стороны (путем изменения параметров фильтра (7) и петлевого коэффициента усиления) и помехоустойчивости с другой стороны (путем изменения параметров узкополосного фильтра (2) и фильтра (6) верхних частот).

Формула изобретения Устройство фазовой автоподстройки частоты, содержащее последовательно соединенные входной смеситель, узкополосный фильтр и фазовый детектор, к другому входу

0

5

0

которого подключен опорный генератор, усилитель постоянного тока, а также последовательно соединенны фильтр нижних частот и подстраиваемый генератор, вход которого подключен к гетеродинному входу входного смесителя, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, межДу выходом усилителя постоянного тока и управляющим входом подстраиваемого генератора включен пропорционально дифференцирующий фильтр, к выходу опорного генератора подключен выходной смеситель, а узкополосный фильтр выполнен в ВИДА синхронно-фазового фильтра с пропорционально-интегрирующим фильтром в каждом канале, опорный вход синхронного фазового фильтра подключен к выходу опорного генератора, гете- родинный вход выходного смесителя подключен к выходу подстраиваемого генератора, при этом постоянные времени пропорционально-дифференцирующего и пропорционально-интегрирующего фильтров выбраны одинаковыми.

Использование: радиотехника, следящие устройства приема и обработки радиосигналов. Сущность изобретения: устройство фазовой автоподстройки частоты содержит входной и выходной смесите- ли, узкополосный фильтр, фазовый детектор, опорный генератор, усилитель постоянного тока, пропорционально-дифференцирующий фильтр верхних частот, фильтр нижних частот и подстраиваемый генератор. Уменьшающееся отклонение разности фаз сигналов на входах фазового детектора из-за сужения полосы пропускания узкополосного фильтра компенсируется благодаря наличию пропорционально-дифференцирующего фильтра верхних частот, что позволяет повысить помехоустойчивость без ухудшения динамических характеристик устройства. 3 ил.

Фие.1

I.SJ

Фиг.2.

Фиг.3