Глава 9

АВТОМАТИЧЕСКАЯ ПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ (АПЧ)

§ 9.1. Принципы автоматической подстройки частоты. Разновидности систем апч

Частота колебаний, генерируемых задающим генератором передатчика и гетеродином приемника, подвержена влиянию ряда дестабилизирующих факторов. Она изменяется при изменениях температуры, давления, влажности, напряжений питания. В однокаскадных передатчиках, когда генератор непосредственно связан с антенной; сильное влияние на частоту колебании оказывают усло-

вий согласования передатчика и an тенно-фидерного тракта. При враще нии антенны изменяется КСВ траь та, а следовательно, и реактивная Hi грузка на генератор и, как следствие изменяется частота генерируемых кс лебаний. Существенное влияние ок« зывает обтекатель антенны, от коте рого отражается часть энергии,.npi чем влияние обтекателя проявляете по-разному при различных полож' ниях антенны. За счет изменения у ловий согласования антенны с прос ранством так же изменяются КСВ

1/

антенно-фидерном тракте и частота генерируемых колебаний.

Нестабильность частот передатчика и гетеродина заставляет расширять полосу пропускания приемника для обеспечения устойчивого приема. Это вызывает усиление действия помех и снижение избирательности приемного устройства. В диапазонах дециметровых и сантиметровых волн при использовании магнетронных передатчиков и клистронных гетеродинов нормальная работа радиолинии без принятия специальных мер оказывается невозможной, так как общие уходы частоты передатчика и гетеродина во много раз превосходят полосу пропускания, согласованную с шириной спектра сигнала. Можно привести следующие характерные цифры. На частоте 10 ГГц температурный коэффициент частоты клистрона и магнетрона имеет значение 0,1 — 0,2 МГц/град; изменение напряжения на резонаторе отражательного клистрона на 1 % вызывает отклонение генерируемой частоты на 1,2— 2 МГц; изменение напряжения на отражателе на 1 % приводит к изменению частоты на 2,5 — 3 МГц.

При сканировании антенны РЛС магнетронный передатчик изменяет частоту колебаний на ± (15—20) МГц, причем скорость изменения частоты в режиме обзора составляет 0,5— — 1 МГц/с, а в режиме автосопровождения доходит до 1000 МГц/с (при большой скорости сканирования). Ясно, что в этих условиях приемник практически всегда будет расстроен настолько, что прием сигналов окажется невозможным. Выход из положения заключается в применении высокостабильных (кварцованных) задающих генераторов с цепочками умножения частоты в передатчике и гетеродине или в использовании систем автоматической подстройки частоты (АПЧ) гетеродина.

Системы АПЧ можно разбить на два класса в зависимости от признака, на основании которого вырабатывается сигнал ошибки. Если этим признаком является отклонение частоты

сигнала от переходной частоты частотного детектора, то говорят о ч а с-тот ной системе АПЧ (ЧАПЧ). Таким образом, чувствительным элементом системы ЧАПЧ является частотный детектор (различитель). Особенностью систем ЧАПЧ является наличие статической ошибки регулирования по частоте, т. е. отличие частоты, генерируемой подстраиваемым генератором, от частоты, которая точно соответствует эталонному значению. Вместе с тем для системы ЧАПЧ характерен широкий диапазон начальных расстроек, в котором она способна резко снижать ошибку настройки генератора. Иными словами, системы ЧАПЧ могут иметь широкую «область втягивания».

Если признаком для срабатывания системы АПЧ является отличие фазы колебаний сигнала от фазы опорного колебания, то говорят о ф а з о-в о й системе АПЧ (ФАПЧ). Чувствительным элементом системы ФАПЧ является фазовый детектор (различитель).

Особенностью системы ФАПЧ является нулевая статическая ошибка регулирования по частоте, т. е. точное равенство частот опорного генератора (если он является подстраиваемым) и сигнала или подстраиваемого генератора и эталонного генератора (являющегося опорным). Вместе с тем существует статическая ошибка регулирования по фазе, т. е. статическое отличие фаз колебаний эталонного и подстраиваемого генераторов (или опорного колебания и сигнала). Системы ФАПЧ обычно имеют узкий диапазон начальных расстроек, в котором они осуществляют подстраивающее действие, и иногда сочетаются с системами ЧАПЧ, причем система ФАПЧ вступает в работу тогда, когда система ЧАПЧ введет частоту подстраиваемого генератора в «область втягивания» системы ФАПЧ. В настоящей главе рассматриваются системы ЧАПЧ (далее они называются системами АПЧ). Системам ФАПЧ посвящена гл. 10.

Системы АПЧ можно подразделить на два класса — системы абсолютной частоты и системы промежуточной частоты. Системы абсолютной частоты поддерживают частоту колебаний гетеродина равной заданной эталонной частоте.

Функциональная схема такой системы АПЧ приведена на рис. 9.1-В нее входят подстраиваемый генератор Г, частотный детектор ЧД, усилитель У, управляющий элемент УЭ и фильтр нижних частот Ф.

Частотный детектор ЧД вырабатывает постоянное напряжение, которое пропорционально отклонению частоты колебаний, генерируемых генератором Г от переходной частоты ЧД. Это напряжение усиливается и фильтруется фильтром нижних частот (Ф), задающим инерционные свойства системы АПЧ и обеспечивающим ее устойчивость. Выходное напряжение фильтра является регулирующим напряжением, которое, воздействуя на управляющий элемент УЭ, изменяет частоту колебаний генератора Г таким образом, что она приближается к переходной частоте ЧД, являющейся эталонной.

Системы промежуточной частоты поддерживают промежуточную частоту приемника постоянной при уходах как частоты передатчика, так и частоты гетеродина. Функциональная схема подобной системы АПЧ приведена на рис. 9.2. Здесь в петлю обратной связи входит смеситель См, на который подаются колебания сигнала сУ_с. и гетеродина U_r. Гетеродин является подстраиваемым генератором. Напряжение промежуточной частоты усиливается в УПЧ и подается на ЧД, переходная частота которого равна номинальному значению промежуточной частоты. Фиксация ее чаще всего осуществляется резонансными цепями (ЧД с расстроенными контурами, ЧД со связанными контурами и др.). Далее идут обычные элементы, в основном такие же, как и в схеме рис. 9.1.

Поскольку промежуточная частота /н =т |/i±/ri зависит от частот сигнала /_с (передатчика) и гетеродина /_г, система АПЧ устраняет влияние нестабильностей обеих этих час-стот, поддерживая заданное значение промежуточной частоты. Подстраиваемым генератором является обычно гетеродин, но не исключается и подстройка передатчика, если он расположен поблизости. В радиосистемах передачи информации гетеродин подстраивают под частоту принимаемого сигнала. В тех случаях, когда передатчик расположен близко от приемни-ника, подстройку гетеродина производят под частоту излучаемого сигнала (например, в РЛС). При этом систему строят так, что канал АПЧ оказывается полностью автономным, не связанным с трактом прохождения сигнала. Это повышает помехоустойчивость системы АПЧ за счет исключения возможности «увода» частоты гетеродинных колебаний мощным сигналом с плавно изменяющейся частотой. Подобные системы АПЧ называются двухканильными в отличие от одноканальных систем, в которых сигнал для запуска системы АПЧ проходит через основной приемный тракт.

Функциональная схема двухка-нальной системы АПЧ приведена на рис. 9.3. Здесь колебания сигнала подаются на смеситель АПЧ (Смдпч) через аттенюатор Ат от передатчика

См

УПЧ

ЧД

УЗ

Рис 9:2

Прд. Далее следует кольцо автоподстройки, действующее на гетеродин Г приемника, причем гетеродин один и тот же для каналов сигнала и АПЧ. Сигнал, принимаемый антенной в режиме приема, направляется в приемник антенным переключателем АП и в цепи АПЧ не попадает. Частотный детектор должен удовлетворять всем требованиям, предъявляемым импульсным режимом работы. Полоса пропускания УПЧ_АПч должна быть достаточной для пропускания большей части спектра импульсного сигнала без существенных искажений. Обычно ее выбирают из условия /7упч = = (2ч-3))/т„. Смеситель АПЧ должен работать в режиме, обеспечивающем малое содержание гармоник промежуточной частоты в спектре выходного колебания. Это необходимо для того, чтобы система АПЧ не оказалась вовлеченной в слежение за частотой гетеродина, отстоящей от частоты сигнала на /_п/2; /_п/3 и т. д., т. е. не начала работать по гармонике промежуточной частоты. Поскольку мощность передатчика велика, на смеситель АПЧ просачивается значительная мощность сигнала (0,1 —0,2 мВт). Управляемая мощность сигнала должна быть значительно больше этих значений. Обычно берут Р_с да 1,5-=-4-2 мВт и, исходя из этого, рассчитывают затухание аттенюатора Ат. Как известно, для снижения содержания гармоник в спектре выходного колебания смесителя одно из образующих колебаний должно быть много слабее другого. В данном случае «слабым» является колебание гетеродина. Обыч-

182

но Р_г да 0,4 ч- 0,5 мВт. При этом уровень второй гармоники составляет примерно — 20 дБ по сравнению с уровнем первой гармоники и возможность неправильной работы системы АПЧ оказывается маловероятной. Вообще же желательно применение балансных смесителей в каналах АПЧ, так как в них имеется сильное подавление четных гармоник выходного колебания (наиболее опасной является вторая гармоника).

Напряжение промежуточной частоты на выходе смесителя при указанных мощностях Р_с и Р_г составляет обычно 0,2—0,4 В. На выходе ЧД обычно требуется получение максимальной амплитуды видеоимпульсов, равной 1 В. При этих условиях УПЧдпч состоит, как правило, из одного — трех каскадов.

Заметим, что импульсный характер сигнала при значительной инерционности системы АПЧ практически не проявляется. Он начинает сказываться только в случае, если время переходных процессов становится соизмеримым с периодом повторения импульсов. При этом, так же как и в АРУ, поведение системы описывается уравнениями в конечных разностях и начинают проявляться особенности импульсных систем автоматического регулирования. По скорости протекания переходных процессов системы АПЧ можно подразделить на и и е р-ц и о и н ы е и быстродействующие (БАПЧ). Эта классификация применяется в основном при импульсных сигналах, так как длительность переходных процессов оценивают относительно длительности импульса сигнала т„. В системах БАПЧ подстройка генератора (гетеродина) осуществляется за время действия одного импульса сигнала, следовательно, время протекания переходного процесса меньше длительности . сигнального импульса. В промежутках между импульсами система АПЧ разомкнута и должна сохранять настройку гетеродина, установленную во время действия импульса сигнала.

Функциональная схема ТИПИЧНОЙ системы БАПЧ приведена на рис. 9.4. Нагрузочные цепи частотного детектора в этой системе имеют малые постоянные времени и при воздействии на его входе радиоимпульсов он вырабатывает видеоимпульсы, амплитуда которых пропорциональна разности частоты заполнения и переходной частоты ЧД, а полярность соответствует знаку этой разности. Эти видеоимпульсы усиливаются видеоусилителем В У и подаются на фиксирующую цепь ФЦ. Последняя вырабатывает постоянное напряжение, равное амплитуде видеоимпульса, и поддерживает (фиксирует) его до прихода следующего видеоимпульса. В усилителе постоянного напряжения У ступенчатое напряжение с выхода ФЦ усиливается и переносится на необходимый уровень среднего значения, диктуемый требованиями управляющего элемента УЭ. Таким образом, если систему БАПЧ включить в кольцо двухканальной автоподстройки (см. рис. 9.3), то при изменении частоты передатчика от импульса к импульсу гетеродин приемника будет каждый раз настраиваться на частоту, необходимую для приема сигналов на частоте данного зондирующего импульса. Эта частота настройки будет поддерживаться между зондирующими импульсами и автоматически изменяться при изменении несущей частоты передатчика от импульса к импульсу. Роль ФЦ может выполнять ключевой детектор, управляемый импульсами модулятора передатчика (ы_у на рис. 9.4). Заметим, что во время действия радиоимпульса U_c на входе системы она ничем не отличается от систем непрерывного регулирования, а при отсутствии входного импульса система разомкнута и характер изменения частоты гетеродина всецело определяется свойствами фиксирующей цепи (законом спада напряжения на элементе памяти), являющейся по существу расширителем выходных импульсов ЧД до значения, равного периоду повторения. В инерционных системах АПЧ

Рис. 9.4

каждый сигнальный импульс вносит некоторую поправку в настройку гетеродина, приближающую ее к искомому номинальному значению. Стационарное значение частоты гетеродина устанавливается в результате действия нескольких сигнальных импульсов, следующих на одной и той же несущей частоте. Инерционность системы определяется постоянной времени фильтра Ф и глубиной регулирования (см. далее). Если нагрузочные цепи ЧД имеют постоянные времени, много большие периода повторения, то сам ЧД является инерционным звеном системы АПЧ. В этом случае специальный фильтр может отсутствовать. Если же он имеется, то система АПЧ имеет два инерционных звена, что сказывается на характере и скорости протекания переходных процессов.

Степень инерционности системы АПЧ в приемниках АМ-сигнала обусловлена только условиями устойчивости и может быть весьма малой.

В приемниках ЧМ-сигналов допустимое быстродействие системы АПЧ ограничено требованием отсутствия демодуляции полезной частотной модуляции сигнала. Система АПЧ в этих случаях должна устранять медленные паразитные изменения промежуточной частоты, но не должна отслеживать изменения, происходящие в соответствии с полезной частотной модуляцией. В этом отношении требования к системе АПЧ в приемниках ЧМ-сигналов аналогичны требованиям к системам АРУ в приемниках АМ-сигналов.

Каждая система АПЧ обладает ограниченной областью начальных расстроек (отклонений) генерируемой гетеродином частоты от номинального значения, в пределах которой она

резко снижает ошибку настройки. При выходе начальной расстройки за пределы этой области система АПЧ размыкается и перестает работать. Тогда требуется вмешательство оператора, который должен ручной подстройкой гетеродина ввести его частоту в пределы «области втягивания», а затем опять включить систему АПЧ, Если подобные большие отклонения частоты происходят часто, эксплуатировать систему становится очень неудобно или вообще невозможно. Такие условия работы достаточно характерны, например, для РЛС сантиметрового диапазона волн с магне-тронными передатчиками и клистрон-ными гетеродинами.

В этих случаях применяют и о-исковые системы АПЧ (рис. 9.5). Здесь ГП • — генератор поиска, который при отсутствии внешнего воздействия генерирует пилообразное напряжение, перестраивающее гетеродин Г в максимально возможных пределах. Это позволяет найти такое значение частоты генерации, при котором появляется сигнал на выходе УПЧ. С приближением промежуточной частоты к переходной частоте ЧД амплитуда видеоимпульсов на его выходе сначала увеличивается, затем уменьшается, далее изменяется полярность видеоимпульсов и начинается новый рост их амплитуды (эти процессы происходят в соответствии с видом детекторной характеристики ЧД). Когда амплитуда видеоимпульсов достигает определенного значения, фиксирующая цепь ФЦ вырабатывает постоянное напряжение, срывающее автоколебания генератора поиска и переводящее его в режим усилителя постоянного напряжения. Таким образом, прекращается поиск по частоте и осуществляется захват найден-

ного значения частоты гетеродина, обеспечивающего близость промежуточной частоты к номинальному значению. При новом значительном уходе промежуточной частоты или прекращении приема сигнала система опять переходит в режим поиска по частоте, при этом новый захват нужного значения частоты и переход в режим слежения происходит через один (или несколько) циклов поиска. Роль фиксирующей цепи может выполнять детектор видеоимпульсов.