ная работа амплитудного детектора. Подавленгге в усилителе высокой частоты боковых составляющих амплитудно-модулированного сигнала компенсируется соответствующим подъемом характеристики в усилителе низкой частоты.

ПРИНЦИП СИНХРОННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЧМ СИГНАЛОВ

В последние годы метод синхронного детектирования находит применение в приемниках частотно-модулираваиных сигналов. Частотно-модулированное колебание можно представить проекцией вектора OA, который вращается с угловой скеростью

ft)c = wo-fA(o sin (6)

где Aw -девиация частоты, Q - модулирующая частота.

Рассмотрим движение этого вектора в системе координат, вращающейся с угловой скоростью Шо (рис. И). Когда значение sin становится отрицательным, вращение вектора происходит в обратном направлении. Че.м больше модулирующая частота, тем меньше

c(t,)

Л/.i

Рис. 11. Векторное изображение ЧМ сигнала.

Рис. 12. Сумма немодулирован-ного сигнала и слабой помехи.

время вращения вектора в одном направлении и тем на меньший угол отклоняется вектор от среднего положения. Максимальное отклонение частоты До и отклонение фазы р связаны соотношением Aw = pfi.

Слабая помеха ас (рис. 12) при немодулированном сигнале oa вызывает небольшое колебательное отклонение вектора суммы ос с разностной частотой помехи и сигнала. Выходное напряжение частотного детектора пропорционально разностной частоте. При помехе с равномерным радиочастотным спектром низкочастотный спектр помехи получается треугольным (рис. 13). Фильтр нижних частот, стоящий после детектора, не пропускает высокочастотные составляющие помехи. Если входной сигнал промодулирован по частоте, отношение напряжений сигнал/помеха на выходе приемника намного больше, чем на входе. Выигрыш в помехоустойчивости возрастает с увеличением отклонения фазы р. При.менение широкополосной частотной модуляции обеспечивает высококачественный прием УКВ радиовещания в зоне прямой види.мости передатчика. Благодаря введению высокочастотной предкоррекции при передаче получается дополнительный выигрыш в помехоустойчивости и отношение мощ-

ностен сигнал/помеха на выходе радиовещательного приемнила в 170 раз больше, чем иа входе.

Иначе происходит детектирование при сильной помехе. Вектор суммы сигнала и сильной помехи может совершить быстрый окачок фазы на угол р=2я (рис. 14). Это происходит в моменты, когда синфазная составляющая помехи больше сигнала, а ортогональная составляющая меняет знак на противоположный. Низкочастотный

Рис. 13. Выходной спектр частотного детектора при действии немодулированного сигнала и слабой помехи.

спектр такой no.\iexH равномерный (рнс. 15). Изменение выходного спектра частотного детектора с треугольного на равно-мерный приводит к резкому увеличению помех на выходе фильтра нижних частот. Линейная зависимость между входным рвх и выходным Рвых отношениями сигнал/помеха нарушается, и наступает порог помехоустойчивости частотной модуляции (рис. 16).

Для снижения порога помехоустойчивости приложим дополнительно к частотному детектору напряжение от гетеродина, сннхро-

Рнс. 14. Сумма немодулированного сигнала и сильной помехи.

sS\1,\NNn\\\\\n\

Рис. 15. Выходной спектр частотного детектора при действии немодулированного сигнала и сильной помехи.

низированного средней частотой ЧМ колебания. Помеха не может превысить напряжение гетеродина, поэтаму аномальных скачков фазы, вызывающих равномерный низкочастотный шум, не будет, а отклонение фазы Р уменьшится. Для широкополосной частотной модуляции это уменьшение непропорцнонально первоначальному отклонению фазы. Возникающие при детектировании нелинейные искажения устраняются введением отрицательной обратной связи по фазе: выходное напряжение детектора управляет фазой синхронного гетеродина так, что разность фаз напряжений сигнала и гетеродина уменьшается. Цепь обратной связи выполняется так же, как в системе синхронизации с фазовой автоподстройкой частоты.

Рассмотрим работу классического частотного детектора. Для

Рис. 16. Зависимость между в.ходным и выходным отношениями сигнал/помеха в радиовещательном ЧМ приемнике.

этого вспомним основное свойство колебательного контура: если от него отключить внешний источник напряжения, то при достаточно высокой добротности в контуре некоторое время будет существовать затухающее колебание, по которому мы можем судить о воздействовавшем напря-

тур обладает свойством кратковременной памяти .

Схема частотного детектора показана на рис. 17,а. На диод mi поступает сумма векторов, а на диод дг - разность векторов напряжений колебательного контура Uk и сигнала ус- Контур lc имеет индуктивную связь со входом. Если частота входного сигнала и частота настройки контура совпадают (рис. 17,6), разность фаз сигнала и колебаний контура равна 90° и амплитуды напряжений на диодах mi и одинаковы. В этом случае напряжение на выходе частотного детектора, определяющееся разностью амплитуд, отсутствует (полярность включения диода Да следует изменить).

Пусть частота входного сигнала увеличилась, т. е. фаза стала нарастать быстрее. Благодаря свойству кратковременной памяти частота коле*бання контура осталась прежней. Разность фаз (рис. 17,в) сигнала н колебаний контура увеличивается. Длина вектора суммы теперь не равна длине вектора разности и амплитуды напряжений на диодах mi и Дг неодинаковы. Появляется напряжение на выходе детектора, значение которого пропорционально отклонению частоты входного сигнала.

Рис. 17. Частотный детектор, о -схема; б. в -векторные диаграммы напряжении.

В целом работа частотного детектора сводится к измерению длины вектора i4oi4i (рис. 18), который равен разности между векто-ра.ми сигнала и колебаний контура, т. е. к сравнению прямого oai и задержанного оао сигналов. Такой метод приема называется авто-корреляционны.м. Для повышения помехоустойчивости необходимо

увеличить время задержки. При этом длина разностного вектора aoai, вызванная частотной модуляцией сигнала, увеличится, а средняя длина разностного вектора, вызванная помехой, останется без изменений.

Значительное увелтение задержки приводит к тому, что длина разностного вектора становится непропорциональной разности фаз и, значит, отклонению частоты. Это справедливо для вектора а0а2, соответствующего отклонению фазы Рг (рис. 18). При дальнейшем

Рис. 18. Автокорреляционный метод приема ЧМ сигналов.

увеличении задержки характеристика частотного детектора стано-вится периодической в пределах полосы, занимаемой ЧМ сигналом. Чтобы уменьшить нелинейные искажения, вводят отрицательную обратную связь, для чего используют систему фазовой автоподстройки частоты. Задержку в этом случае выполняет фильтр нижних частот в цепи ФАПЧ.

В зависимости от характеристик системы ФАПЧ синхронные ЧМ приемники делятся на два типа: бесконтурные приемники и приемники с максимальной чувствительностью.

Выигрыш в отношении сигнал/помеха на выходе ЧМ приемника по сравнению с этим же отношением на входе получается благодаря тому, что ЧМ сигнал, занимая более широкой спектр частот, чем модулирующая частота, имеет большую пропускную способность.

На рис. 19 показаны зависимости отношения сигнал/помеха на входе рвх и выходе рвых приемника от пропускной способности высокочастотного и низкочастотного трактов. При построении кривых учтены коррекция предыскажений и распределение спектров высокочастотного и модулирующего сигналов. Выходной низкочастотный спектр помехи предполагается треугольным.

Приравнивая пропускные способности трактов по высокой и низкой частоте, можно определить выигрьпи, получаемый при частотной модуляции, как разность выходного и входного отношений сигнал/по.меха, выраженных в децибелах. Синхронный ЧМ приемник с оптимальными параметрами позволяет получить помехоустойчивость, близкую к помехоустойчивости идеального приемника.

0.71

Рис. 19. Пропускная способность трактов ЧМ радиовещания.

СИСТЕМА ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ

Рассмотрим более подробно стему ФАПЧ, структурная схема которой локазана на рис. 10. Она может использоваться для выделения несущей частоты амплитудно-модулированного колебания или для помехоустойчивого детектирования сигналов с частотной модуляцией.

Прн отсутствии помех и небольшой расстройке сигнала относительно собственной частоты синхронного гетеродина рабочий участок характеристики фазового детектора можно считать линейным. В этом случае коэффициент передачи замкнутой цепи ФАПЧ определяется по формуле, известной из линейной теории обратной связи:

Ко.с=К.(1 + £К )-.

где Ко.с - коэффициент передачи системы с замкнутой цепью обратной связи; Кй - коэффициент передачи системы с разомкнутой цепью

обратной связи; В - коэффициент передачи с выхода системы иа вход.

За коэффициент передачи системы iC примем отношение управляющего напряжения синхронного гетеродина к отклонению фазы входного сигнала:

= ф.Дф (1 + Яф.пСф/СуКс.г)

где /Сф.д - коэффициент передачи фазового детектора; - коэффициент передачи фильтра нижних частот; /Су - коэффициент передачи управляющей схемы. Значения этих коэффициентов подставляются из выражений (17), (18), (19), (22), (27). Коэффициент передачи синхронного гетеродина /Сс.г=1 Й.

Нормированная амплитудно-частотная характеристика коэффициента (передачи в зависимости от разностной частоты сигнала еии-хронного гетеродина и помехи или модулирующей частоты ЧМ колебания показывает, во сколько раз угловая модуляция синхронного гетеродина меньше, чем модуляция суммы сигнала и помехи на входе системы ФАПЧ. Эта характеристика описывается формулой

1 +тН*0.

+ [(тх + 1/Qy)* - 2 -f (x/Qy)

где Q - разность частот синхронного гетеродина н помехи или модулирующая частота ЧМ колебания; m - параметр фильтра, определяемый соотношением емкостей или сопротивлений; т - постоянная времени фильтра нижних частот; йу -полоса удержания системы, равная отклонению частоты синхрориого гетеродина при максимальном выходном напряжении фазового детектора.

Выходное напряжение фазового детектора увеличивается с ростом напряжения входного сигнала, поэтому полоса удержания пропорциональна амплитуде входного сигнала.

Нормированные характеристики коэффициента передачи цепи фазовой автоподстройкн частоты показаны на рис. 20, где за

обобщенную расстройку х и переменный параметр приняты выражения:

(10) (И)

Круговая диаграмма позволяет при заданной расстройке одновременно определить амплитуду и фазу коэффициента передачи.

Достаточно просто находятся частоты, на которых характеристика имеет макси.мум или равна единице;

Jc=vy: ? = 0.5 (т Vq +1

= (/1 + 2mqz- 1) тЧ (12)

QS = 2Qy/x. (13)

Эти точки можно принять за контрольные при настройке системы с помощью ЧМ генератора.

Как видно из выражения (9), за пределами полосы пропускания коэффициент передачи системы уменьшается обратно пропорционально разности частот гетеродина и помехи, чем и объясняются избиратель- ог сч ое 08 1С 1 ные свойства системы. Когда пара- i------- метр фильтра равен нулю, подавле- -д ние помехи становится пропорциональным квадрату разности частот -Q* синхронного гетеродина и помехи. Избирательность в этом случае лучше, чем в схеме с непосредственным

-0.8

Рис. 20. Круговая диаграмма коэффициента передачи системы ФАПЧ.

захватом частоты гетеродина внеш- -цор ним высокочастотным сигналом но частотная характеристика имеет значительную неравномерность в полосе -Ijt пропускания.

Амплитудно-частотная характеристика системы ФАПЧ без фильтра совпадает с характеристикой избирательности гетеродина, синхронизированного входным высокочастотным сигналом:

Y8=l/Kl+(S/£!y) (14)

При большом уровне входного сигнала может произойти самовозбуждение цепи фазовой автоподстройки частоты. Требование безусловной устойчивости схемы записывается в виде

т :тт-Ь1/йу, (15)

где Тп-сумма постоянных времени паразитных цепей.

Для обеспечения устойчивости следует уменьшать постоянные времени цепей, образованных выходными сопротивлением и емкостью фазового детектора, управляющей схемы, усилителя, колебательного контура синхронного гетеродина. Таким образом, все каскады, входящие в замкнутую цепь ФАПЧ, должны быть широкополосными. Труднее всего спроектировать устойчивую систему ФАПЧ с -интегрирующим фильтром.

В беоконтурных приемниках недостатком системы ФАПЧ может быть гистерезис настройки. Чтобы произошел захват частоты син-