МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ

В реальных условиях радиоприема вследствие различных дестабилизирующих факторов значения частоты сигнала, частоты гетеродина и промежуточной частоты могут изменяться во времени и значительно отличаться от расчетных значений, определяемых при проектировании радиоприемных устройств. Если расстройки частот от их номинальных значений весьма велики, то значительная часть боковой полосы спектра сигнала оказывается вне полосы пропускания усилителя промежуточной частоты (УПЧ) и это приводит к линейным искажениям принятого информационного сообщения. Для устранения этого эффекта на практике применяют системы автоматического регулирования (САР), называемые системами автоподстройки частоты (АПЧ) [1].

В состав системы АПЧ обязательно входит измерительный элемент, который осуществляет сравнение частот гетеродина и опорного, обычно кварцевого, генератора. В роли измерительного элемента может выступать частотный детектор (ЧД), либо фазовый (ФД). На практике нашли применение балансные на расстроенных контурах, в том числе с взаимными обратными связями, дробные, квадратурные и частотные детекторы с использованием системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которые называют ЧД ФАП.

В пакете схемотехнического моделирования Microcap исследованы некоторые из перечисленных схем. Для получения характеристик частотного детектирования на макрос генератора VCO (Х16) подан специально сформированный пилообразный сигнал заданной длительностью τ=20 мс, амплитудой ±10В, т.е. на выходе VCO формируется линейно частотно-модулированный (ЛЧМ) сигнал (рис. 1).

Рисунок 1. Генератор ЛЧМ сигнала

Исследования проведены на стандартной промежуточной частоте
465 кГц. При подаче на вход ЧД линейно частотно-модулированного колебания − на выходе формируется дискриминационная характеристика.

Эпюры напряжений и модули спектров формируемых сигналов показаны на рис. 2 (пилообразное напряжение, собственно ЛЧМ сигнал и модуль спектра) для значений для девиации частоты 12кГц (рис. 2,а), и 8 кГц (рис. 2,б) соответственно, при средней частоте генератора VCO − 465 кГц. Полученные эпюры хорошо согласуются с теорией.

На рис. 3, 5, 9 приведены принципиальные схемы, а на рис. 7 − функциональная схема различных типов частотных детекторов, на рис. 4, 6, 8 и 10 − их дискриминационные характеристики.

Рисунок 2. Эпюры напряжений формируемых сигналов

Принципиальная схема дробного детектора (детектора отношений) представлена на рис. 3, где D1, D2 − диоды типа 1N318A, а его дискриминационная характеристика приведена – на рис. 4. Известно, что главное достоинство дробного детектора – нечувствительность к паразитной амплитудной модуляции, имеющей место при приеме ЧМ-сигналов.

Ф – фильтры; Р – регуляторы уровня проходящих сигналов, регулировочная характеристики которых в соответствии с обозначениями, принятыми на
рис. 7,а – представлены на рис. 7,б; Д – разнополярные детекторы огибающей; ФНЧ – фильтры нижних частот; УУ – управляемые усилители; С – сумматор.

Семейство дискриминационных характеристик ЧДОС при различных значениях коэффициентов взаимных обратных связей К, определяемых знвчением управляющего напряжения U_УПР (рис. 7,а) представлено на рис. 8.

При значении К=0 реализуется обычный балансный дискриминатор характеристика которого (рис. 8) имеет минимальную крутизну, определяемую АЧХ фильтров. Она аналогична характеристике представленной на рис. 6. При значениях К>1 – характеристика гистерезисного типа, (рис. 8) реализуется «жесткий» режим работы ЧДОС [2] и наконец при 0<K<1 (рис. 8) реализуется «мягкий» режим работы ЧДОС. При установке значения К в пределах 0<K<1 схемой ЧДОС может быть сформирована любая зависимость между кривой соответствующей обычному дискриминатору (К=0) и гистерезисной кривой (К=1) , с переходной частотой совпадающей с переходной частотой обычного балансного дискриминатора (465 кГц в нашем рассмотрении).

Принципиальная схема квадратурного ЧД представлена на рис. 9, а его дискриминационная характеристика − на рис. 10.

Рассмотрение результатов исследований подтверждает работоспособность моделей для исследования ЧД и не противоречат теоретическому анализу, проведенному в [1,2].

Выводы

Применение ЧДОС, построенных на основе балансных ЧД, в устройствах приема сигналов, манипулированных по частоте, разработанных авторами, позволяет реализовать сравнительно простыми техническими средствами регулировку крутизны среднего участка дискриминационной характеристики, повысить соотношение сигнал/шум и тем самым повысить помехоустойчивость устройств и систем обработки сигналов, манипулированных по частоте [3,4].

Различным аспектам применения дискриминаторов с обратными связями посвящен ряд работ, опубликованных в отечественной и зарубежной периодической печати [5-7].

Список литературы:

1. Гайдук А.Р., Беляев В.Е., Пьявченко Т.А. Теория автоматического управления в задачах и примерах с решениями в MATLAB. Изд-во СПб: Лань, 2011.− 466 с.
2. Плаксиенко В.С. Уровневая статистическая обработка дискретных сигналов. М.: Учебно-методический и издательский центр «Учебная литература», 2006. − 274 с.
3. Плаксиенко В.С., Плаксиенко Н.Е. и др. А.С. А.С. Устройство для выделения частотно-модулированных радиоимпульсов на фоне шумов
   №1022314, Б.И. № 21, 1983.
4. Плаксиенко В.С., Плаксиенко Д.В. Устройство для детектирования сигналов многопозиционной частотной телеграфии. Патент на изобретение №2187900 по заявке №2001106937 от 14.03.2001. Б.И. №23 от 20.08.2002.
5. Плаксиенко В.С., Бондарь П.А. Балансные дискриминаторы с управляемой характеристикой. Изв. ВУЗОВ России №3, 2009. С. 12-14.
6. Плаксиенко В.С., Плаксиенко Н.Е., Сиденков А.С. Особенности линейно-логической обработки сигналов. Ежемесячный научный журнал»Prospero»№ 1; 2014. С. 108-113.
7. Плаксиенко В.С. Плотности распределения вероятностей в дискриминаторе с обратными связями. Известия академии инженерных наук им. А.М. Прохорова. НТ журнал, Юбилейный том, посв. 20-летию Академии инженерных наук РФ. Москва-Н. Новгород 2011. С. 155-163.[schema type=»book» name=»МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ» author=»Плаксиенко Владимир Сергеевич, Плаксиенко Нина Евгеньевна, Сиденков Александр Сергеевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-08″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.02.2015_02(11)» ebook=»yes» ]