6.5. ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМ ЧАСТОТНОЙ И ФАЗОВОЙ СЕЛЕКЦИИ

1. Применение частотных систем стабилизации частоты и автоматического слежения за частотой

Потребная полоса радиоприемника, т. е. в конечном итоге его селективные свойства, зависят от спектра принимаемых сигналов, а также от нестабильности несущей частоты радиопередатчика и частоты настройки гетеродина радиоприемника. Из-за нестабильностей частот передатчика и гетеродина полосу необходимо выбирать часто шире оптимальной, что ведет к ухудшению селекции сигналов по частоте и условий приема относительно оптимальных.

Известно, что повышение стабильности частоты радиопередатчиков достигается несколькими способами:

— применением схемы задающих автогенераторов с повышенной стабильностью частоты;

— использованием кварцевой и различных способов параметрической стабилизации частоты [103];

— применением систем автоматической стабилизации частоты.

Те же способы пригодны и для повышения стабильности частоты гетеродинов приемников. В большинстве случаев, однако, гетеродины радиоприемников должны перестраиваться в широкой полосе частот, вследствие чего основное значение здесь приобретает способ, основанный на использовании систем автоматического слежения за частотой.

С точки зрения частотной селекции имеет смысл линии радиосвязи разбить на два вида:

— линии, где минимальное расширение полосы (сверхоптимальной) обеспечивается высокой стабильностью несущей частоты генератора и использованием высокостабильного гетеродина; связь при этом осуществляется на заранее обусловленных (фиксированных) частотах;

— линии, где в радиоприемном устройстве используется система автоматического слежения за частотой сигнала. К линиям последнего вида относятся и такие, в которых

система автоматической стабилизации частоты используется и в радиопередатчиках.

В линиях первого типа необходимое расширение полосы определяется суммарной нестабильностью частот излучаемого сигнала и гетеродина. Будем для определенности полагать, что промежуточная частота где частоты излучаемого сигнала и гетеродина соответственно. Частоты вследствие нестабильности изменяются во времени относительно своих средних значений (математических ожиданий) и которые будем считать постоянными (стационарный случай). Частоты и отличаются от своих номинальных значений соответствующих точной установке частоты передатчика и настройке приемника. Разность есть номинальное значение промежуточной частоты.

Потребное расширение полосы определяется как отличием математических ожиданий от номинальных частот, так и нестабильностью частот Отклонения частот статистически независимые случайные величины. Потребное расширение полосы вследствие неточности начальной установки можно принять равным

где соответственно дисперсии

Аналогично, считая уходы частот передатчика и гетеродина стационарными случайными функциями времени с нулевыми математическими ожиданиями и дисперсиями и можно необходимое расширение принять равным

Величиной

и определяется абсолютное расширение полосы приемника сверх оптимальной. Если полосу не расширять, а выбрать оптимальной, то вследствие расхождения частот будет наблюдаться ухудшение условий приема тем большее, чем выше отношение

В линиях второго типа этих ухудшений можно избежать, использовав системы автоматического слежения за частотой

Рис. 6.23.

(АСЧ). Особенно эффективны системы АСЧ там, где имеется опорный сигнал передатчика. К ним относятся приемники всех радиолокационных станций, которые расположены вблизи радиопередатчиков (откуда можно взять опорный сигнал) и некоторые линии радиосвязи. Сюда же можно условно отнести системы АСЧ ракет с полуактивной системой самонаведения, где опорный сигнал принимается хвостовым приемником ракеты. В системах АСЧ с опорным сигналом задача повышения помехозащищенности системы АСЧ не является актуальной, вследствие чего упрощается построение систем автоматического поиска и захвата.

В системах АСЧ без опорного сигнала основное внимание уделяется обеспечению наивыгоднейших условий поиска и захвата системы АСЧ, наилучшей помехоустойчивости (минимальные ошибки, наименьшая вероятность срыва слежения и т. д.). Это накладывает особенности на функциональную схему системы АСЧ и выбор ее параметров.

Система АСЧ при наличии опорного сигнала. Один из вариантов построения функциональной схемы системы АСЧ такого типа применительно к клистронному гетеродину представлен на рис. 6.23. В результате смешения частоты опорного сигнала (непрерывного или импульсного) и частоты сигнала клистронного генератора образуется напряжение разностной частоты которое после прохождения усилителя разностной частоты (УРЧ) и ограничителя поступает на частотный детектор (дискриминатор) (ЧД). Если захвата нет, то включено устройство широкодиапазонного поиска: с помощью двигателя осуществляется механическая перестройка клистрона так, что его частота изменяется по линейному закону. По достижении конца диапазона происходит реверс двигателя и перестройка идет в обратном направлении. Одновременно в процессе перестройки с помощью программного потенциометра

изменяется напряжение на отражателе так, что все время обеспечивается максимум мощности в выбранной зоне генерации клистрона. Устройство остановки поиска (УОП) (выключения двигателя) срабатывает в тот момент, когда разностная частота входит в раствор характеристики частотного дискриминатора, если только есть разрешение с логической схемы ликвидации ложной настройки (ЛЛН). Выбег двигателя и застой должны быть такими, чтобы после выключения разностная частота находилась в пределах полосы схватывания электронной петли системы АСЧ. Эта петля замыкается через фильтр (Ф), усилитель постоянного тока (УПТ) и отражатель клистрона. Обычно упомянутые условия выполнить нетрудно. Для повышения надежности ввода системы в режим слежения в петлю электронного регулирования (или параллельно ей) может включаться дополнительное устройство поиска (УП) в узком диапазоне с последующим переводом в режим слежения.

После остановки двигателя расстройка ликвидируется за счет действия электронной петли, в этом режиме двигатель из системы слежения исключается, а устройство поиска действует как усилитель. Двигатель вновь включается только в случае длительных и значительных уходов частоты Сточки зрения простоты выполнения систему АСЧ обычно выбирают статической (без интегратора).

Схема ликвидации ложной настройки (ЛЛН) действует так, что захват исключается, если разностная частота образовалась за счет ошибки настройки клистрона на частоту отличную от необходимой на величину где номинальное значение разностной частоты, равное частоте настройки ЧД. Пусть в момент включения системы оказалось, что частота клистрона изменяется в сторону увеличения, начиная с (рис. 6.24). Как только разность увеличится до значения, при котором частота попадет в полосу усилителя без схемы ЛЛН произошел бы захват на частоте сильно отличающейся от частоты . Чтобы это исключить, следует сделать схему захвата чувствительной к полярности сигнала, возникающего на выходе ЧД при прохождении разностной частотой раствора характеристики ЧД, определяющей зависимость его выходного напряжения от Для рассматриваемого направления поиска и при характеристике ЧД, представленной на рис. 6.25, частота по мере роста увеличивается, а следовательно, в начале напряжение на выходе ЧД будет

Рис. 6.24.

Рис. 6.25.

иметь отрицательную, а затем (после прохождения переходной частоты положительную полярность. Такая смена полярностей соответствует ложной настройке, и сигнал, поступающий с ЧД на схему ЛЛН, предотвращает захват. Напротив, если бы поиск происходил начиная с низких частот клистрона, например со значения (рис. 6.24), то частота в процессе поиска убывала (напомним, что и вхождение в пределы раствора характеристики ЧД происходило бы со стороны высоких частот и так, что вначале на выходе ЧД появилось напряжение положительной полярности и схема ЛЛН остановила поиск. При смене направления поиска меняется на обратный порядок чередования полярности и логика работы схемы ЛЛН меняется на противоположную. Необходимый сигнал о перемене направления поиска на схему ЛЛН подается с двигателя. При захвате сигнала на частоте соответствующей ложной настройке, разностная частота будет сильно отличаться от

В связи с тем, что в системе АСЧ имеется опорный сигнал, представляются широкие возможности обеспечения достаточно высокой точности стабилизации относительно номинального значения частоты совпадающей с переходной частотой дискриминатора. Отметим, однако, что ограничения, накладываемые на рост коэффициента усиления (передачи) к системы АСЧ, обусловлены наличием инерционностей элементов системы. Если не говорить об очень высоких коэффициентах передачи, то в электронной петле регулирования можно ограничиться учетом сравнительно малой постоянной времени фильтра ЧД и

постоянной времени фильтра. Передаточная функция замкнутой системы в этом случае имеет вид [86]

где

На рис. 6.26 изображено семейство кривых зависимости коэффициента передачи к от отношения постоянных времени при котором обеспечивается заданная величина коэффициента колебательности Последний определяет вид переходной характеристики системы. Из соотношений (6.5.5) следует, что

Получение больших значений к (порядка 30—50) требует (для чтобы Время установления находится из соотношения

где При время практически не зависит от а определяется при заданном значении меньшей постоянной времени и составляет

Следовательно, увеличение к при фиксированных значениях может быть достигнуто за счет возрастания постоянной времени фильтра и для значительных к время установления практически не зависит ни от ни от k. Все рассуждения становятся, однако, несправедливыми при очень больших

Рис. 6.26.

Рис. 6.27.

значениях к, когда приходится учитывать весьма малые инерционности и запаздывание в фильтрах УРЧ. Конечно, динамические характеристики могут быть в некоторой степени улучшены введением корректирующих цепей.

Системы АСЧ с подстройкой по принимаемому радиосигналу. Функциональная схема системы (рис. 6.27), кроме основной петли регулирования, состоящей из смесителя (См), усилителя разной частоты (УРЧ), ограничителя частотного детектора (ЧД), фильтра (Ф), управителя (У) и гетеродина (Г), содержит дополнительные элементы: генератор поиска (ГП), логическую схему захвата (ЛСЗ) и реле захвата (РЗ), которое в отличие от ранее рассмотренного случая является обязательным элементом системы, переключающим систему из режима поиска (П) в режим захвата (3). Благодаря такому устройству частота генератора в режиме поиска не зависит от напряжения на выходе частотного дискриминатора ЧД. Следовательно, помехи, проникающие на выход ЧД в этом режиме, не оказывают влияния на работу генератора поиска и не меняют принятой заранее логики перевода системы в режим слежения.

Процесс захвата можно разбить на две операции. Первая операция состоит в накоплении напряжения на выходе линейных каскадов приемника или частотного дискриминатора для принятия решения о наличии в выходном напряжении сигнала разностной частоты. Это — типовая задача обнаружения. Организация поиска и принятие решения могут осуществляться разными способами. С этой целью, например, может производиться принудительная модуляция частоты гетеродина (Г) колебаниями дополнительного опорного генератора с последующим фазовым детектированием напряжения, снимаемого с выхода ЧД; причем, можно произвести двухэтапный захват. На первом этапе после появления напряжения на выходе ЧД происходит остановка поиска, но система остается разомкнутой. На

Рис. 6.28.

втором этапе после накопления напряжения на выходе фазового детектора (ФД) принимается окончательное решение о захвате. Если напряжение на выходе ФД в течение заранее установленного промежутка времени не достигает определенного уровня, в системе продолжается поиск.

Вторая операция процесса захвата состоит в устранении начальных рассогласований, возникающих в системе в момент замыкания реле захвата. В системах с одним интегратором имеет место рассогласование по положению, в системах с двумя интеграторами это рассогласования по положению и скорости, обусловленные начальными условиями на двух интеграторах. Вторая операция — наиболее трудная с точки зрения обеспечения уверенного захвата, поскольку в момент переключения рассогласование велико, а по каналу обратной связи действует помеха. Чтобы уменьшить время устранения начальных рассогласований, часто на время переходного процесса увеличивают коэффициент передачи, который доводится до требуемого уровня после того, как начальные рассогласования будут отработаны системой. Изме-, нение коэффициента передачи должно осуществляться так, чтобы не вызвать дополнительных переходных процессов.

Конкретное выполнение логического устройства захвата зависит от назначения системы АСЧ, требований к скорости поиска, допустимого времени накопления, допустимого уровня ложных тревог и т. д.

После замыкания реле захвата и отработки начальных рассогласований для сравнительно малого уровня помех (когда систему можно считать линейной), справедлива структурная динамическая схема рис. 6.28, где возмущающее напряжение на выходе ЧД есть результат пересчета шума, действующего вместе с радиосигналом на выходе приемника. Если уровень шума мал и порог ограничения в ЧД превышен, то односторонняя спектральная плотность этого напряжения [77]

где односторонняя спектральная плотность шума на входе порог ограничения на входе ЧД. При этом где - спектральная плотность белого шума или широкополосной помехи на входе селективного усилителя разностной частоты, имеющего коэффициент передачи и эквивалентную (энергетическую) полосу

Исходя из структурной динамической схемы, для дисперсии частотного рассогласования в системе АСЧ с однозвенным фильтром можно найти

Здесь коэффициент передачи системы и постоянная времени фильтра; эквивалентная полоса замкнутой системы АСЧ. Приближенное равенство (6.5.10) справедливо для

С точки зрения уменьшения влияния помех целесообразно полосу системы сужать, увеличив постоянную времени фильтра.

Организованные помехи большого уровня могут приводить к срыву слежения, когда расстройка начинает значительно превышать раствор характеристики ЧД и система теряет способность следить за частотой сигнала. Существуют эффективные способы определения условий срыва слежения в системах радиоавтоматики [118]. Однако применение результатов, полученных в [118] к частотной системе АСЧ, наталкивается на трудности. Последние обусловлены сложностью динамического эквивалента частотного дискриминатора. Основные закономерности срыва изложены в работе [13] для простейшей статической системы АСЧ с однозвенным фильтром. Передаточная функция разомкнутой системы в этом случае

где постоянная времени фильтра. Отклонение частоты гетеродина при изменении частоты сигнала на (случай работы на линейном участке характеристики ЧД) равно

где

Здесь коэффициент передачи замкнутой системы; тэкв эквивалентная постоянная времени системы АСЧ. Полоса замкнутой системы на уровне связана с величиной тэкв зависимостью

Если на входе радиоприемного устройства действует широкополосный шум, то возможен срыв слежения, под которым в данном случае понимается окончательный выход расстройки за пределы раствора характеристики ЧД. В соответствии с работой [131 характеристикой срыва будем считать вероятность перехода в указанное состояние за время наблюдения Вероятность пропорциональна времени и зависит как от уровня помехи, так и от параметров системы. Приведем некоторые количественные данные, полученные в [13] для сравнительно больших отношений сигнал/шум. При заданном уровне помех вероятность срыва весьма резко зависит от отношения установившейся расстройки к абсциссе максимума частотной характеристики ЧД. При малых отношениях вероятность срыва ничтожна. По мере приближения к единице вероятность срыва нарастает тем интенсивнее, чем выше уровень помех. Отсюда следует, что для уменьшения вероятности срыва следует стремиться работать при малых установившихся ошибках.

Представление о количественных данных по срыву можно получить из графика рис. 6.29 зависимости относительной вероятности срыва от отношения установившейся расстройки вызванной отклонением частоты сигнала к расстоянию до экстремума характеристики ЧД. Для статических систем АСЧ, работающих в линейном режиме,

При хорошей избирательности Графики на рисунке 6.29 рассчитаны для случая действия

белого шума на входе радиоприемника; причем отдельные кривые соответствуют различным значениям а и . Здесь отношение полосы УПЧ к умноженной на полосе замкнутой системы, а отношение эффективного напряжения шума на входе ЧД (в пределах шумовой полосы УПЧ или контуров ЧД) к эффективному напряжению сигнала на входе ЧД. Отсюда следует, что для обеспечения более благоприятных условий по отношению к срыву слежения желательно полосу замкнутой системы выбирать значительно меньшей полосы УПЧ при малой величине установившейся расстройки (большом значении к), что требует выбора фильтра с большой инерционностью. Заметим, что при близких к нулю, и высоком уровне помех описанные результаты следует считать приближенными.

Рис. 6.29.