§ 15.6. Приемники чм-сигнала с обратным управлением

Техника приема ЧМ-сигналов непрерывно совершенствуется в направлении повышения помехоустойчивости в условиях воздействий на приемники достаточно больших помех, при которых помехоустойчивость обычных (некогерентных) приемников ЧМ-сигналов падает. Таким образом, инженерная мысль работает над эвристическими методами снижения пороговых областей приема ЧМ-сигнала (см. § 15.4).

Идея повышения помехоустойчивости ЧМ-приемников заключается в более полном использовании свойств ЧМ-сигнала. Рассматривая частотно-временную плоскость — со, /, изобразим на ней закон изменения частоты во времени (рис. 15.17) для простейшего случая гармонической ЧМ. Если закон ЧМ априорно известен и в момент времени t_t мгновенная частота принимает значение со (г,), то с высокой вероятностью можно записать пределы значений мгновенной частоты в момент времени t_x -f Дг:

Из этого выражения следует, что можно создать устройство типа узкополосного линейного фильтра с регулируемой средней частотой, которое следило бы за мгновенной частотой принятого ЧМ-сигнала (см. рис. 15.17). Важно, что при таком приеме полоса пропускания следящего фильтра должна воспроизводить полезный сигнал, спектр модулирующих частот которого ограничивается максимальной частотой F_max. Поэтому необходимо, чтобы полоса пропускания фильтра ДГф > 2/^г_тах. Вспомним, что в обычном некогерентном приемнике (см. § 15.4, рис. 15.10) ширину полосы пропускания УПЧ выбирали, исходя из ширины спектра частот, занимаемого ЧМ-сигналом, при этом ДТупч > 2(1 -т т) F_max.

Очевидным преимуществом приемника со следящим фильтром является значительное уменьшение мощности шумов, поступающих на вход демодулятора. Уменьшение шумов можно оценить через отношение полос пропускания ДГупч/ДТф « (1 ^; т), т.е. приблизительно в индекс модуляции раз, что обеспечивает повышенную помехоустойчивость приема, выражающуюся в снижении критического порогового уровня.

Далее рассмотрим несколько способов структурной реализации следящих приемных систем.

Приемник со следящей настройкой (рис. 15.18). Специфическая его часть состоит из узкополосного УПЧ, резонансная частота которого с помощью управляемого элемента (УЭ) изменяется частью напряжения, поступающего с выхода частотного детектора (ЧД) через ФНЧ, придающий управлению избирательный характер. Переменная составляющая со_р^, резонансной частоты следящего УПЧ связана с переменной составляющей ш_х^, колебательного процесса в УПЧ соотношением со„_. = К„ы_х^, где

— передаточная функция частотной девиации, т. е. отношение комплексных амплитуд частотной девиации ЧМ-колебания на следящем фильтре к частотной девиации ЧМ-сигнала на его входе; а = R/2L — коэффициент затухания узкополосного УПЧ; К_у— комплексный коэффициент передачи тракта управления резонансной частотой следящего фильтра, включающего в себя ЧД, ФНЧ и УЭ. Зависимость \К_Ч\ от Q называется эквивалентной частотной характеристикой следящего фильтра и имеет вид, показанный на рис. 15.19, где т_у — постоянная времени эквивалентной уп-

равляющей цепи. Основной недостаток подобной системы — относительная сложность устройства и возможность потери входного сигнала, если оценка частоты на выходе ФНЧ неверна.

Приемник с отрицательной обратной связью по частоте (рис. 15.20). Эффекта следящего УПЧ можно достигнуть иным способом, используя обратную связь по частоте (ОСЧ). Напряжение с выхода ЧД подается через фильтр нижних частот (ФНЧ) и управляемый элемент (УЭ) на управляемый генератор (УГ), осуществляя его частотную модуляцию. При этом знак модуляции УГ соответствует знаку полезного ЧМ-сигнала.

«Частота покоя» УГ, соответствующая нулевому значению напряжения на его выходе, сдвинута относительно средней частоты со_п ЧМ-сигнала на величину со,,.

Напряжение УГ можно записать в виде

(15.73)

где со7 (г) — оценка частоты гетеродина.

юв*

ш

В результате воздействия на смеситель (См) двух синфазно-модулиро-ванных сигналов:

от УРЧ u_s(t) = A₀sm [co₀t +

и от УГ [см.

(15.73)1 образуется сигнал со средней частотой ш_п, модулируемый по частоте сигналом ошибки, допускаемой при оценке мгновенной частоты входного сигнала:

Кчц, /Cyi— коэффициенты передачи ЧД и УГ; Н (р) — передаточная функция ФНЧ.

Из выражения (15.74) следует, что частотное отклонение входного ЧМ-сигнала уменьшается системой ОСЧ в 1 + Кчд Куг Н (р) раз, так что перед ЧД можно поставить узкополосный УПЧ с фиксированной настройкой, который должен без искажений фильтровать полезные сигналы в полосе ДТупч > 2/⁷_тах и режектиро-вать все остальные частоты. Сигнал с выхода узкополосного УПЧ подается на амплитудный ограничитель (АО) и ЧД, выходное колебание которого складывается из напряжения, пропорционального ошибке «чд ft

*= Кчд |со (/) — ш_г (г)|, и шумов. Последние влияют на точность оценки частоты, поэтому в петле регулирования всегда существует сигнал ошибки, вводящий систему в режим синхронизации по частоте. По аналогии со следящим фильтром для приемника с ОСЧ можно ввести эквива-

лентную передаточную функцию как отношение комплексных амплитуд частотных отклонений напряжения УГ и входного сигнала:

Таким образом, введение ОСЧ приводит к сжатию спектра входного сигнала, что способствует у пию шума на входе ЧД и снижению пороговой области ЧМ-приема.

Приемник с ФАПЧ (рис. 15.21). Особенность его состоит в том, что узкополосность приемного тракта создается только по низкой частоте — с помощью фильтра ФНЧ. На фазовый детектор (ФД) подаются два напряжения — управляемого гетеродина (УГ) с мгновенной фазой 9 (/), являющейся оценкой мгновенной фазы принимаемого ЧМ-сигнала:

u_T(t) =j= (Уго cosloV -H 9(01, и принятой смеси сигнала и шума иг (/)-• = Л„ sin \uj„t + 9(01 + "ш (0-

На выходе ФД образуется напряжение разностной и суммарной частот

ифд(0~ sin (9 (|) - 9>)|-г

^sin[2to_o/+9(0 + '9(0l + «m (t).

После прохождения через ФНЧ второе слагаемое отфильтровывается, а первое будет создавать входное управляющее напряжение УГ в правильном направлении при условии,

что |9 (t) — 8* (01 < л. Следовательно, данная система будет отслеживать мгновенную фазу принимаемого сигнала, так как выходное колебание УГ синхронизировано по фазе с принимаемым сигналом. Подобная система похожа на оптимальный демодулятор приемника ЧМ-сигналов, полу-

ченный в результате синтеза на основе теории нелинейной фильтрации (см. § 15.4). Однако отнести приемники ЧМ-сигнала с обратным управлением к классу оптимальных или квазиоптимальных систем пока нет достаточно строгих теоретических обоснований.