16. Методы грубого и точного поиска синхронизации

Билет 9

17. Фазовые и частотные детекторы

Пусть сигнал на входе детектора описывается соотношением

где X₀ и φ_n – постоянная амплитуда и изменяющиеся во времени фаза входного сигнала соответственно, ω – частота сигнала.

Рисунок 3.25 – Фазовый детектор с выходным ФНЧ

Пусть на выходе генератора действует опорное колебание, частота которого равна частоте сигнала

где X_Г – постоянная амплитуда.

На выходе перемножителя действует сигнал

Первое слагаемое описывает полезный продукт детектирования, а второе – побочный. Для удаления побочного продукта детектирования служит ФНЧ. Поэтому выходной сигнал детектора равен

где K_Ф – коэффициент передачи ФНЧ. Полученное соотношение справедливо, если коэффициент передачи фильтра для побочного продукта детектирования равен нулю. В противном случае на выходе детектора будет действовать ослабленная составляющая на частоте 2ω.

Из последнего соотношения видно, что выходной сигнал детектора прямо пропорционален косинусу разности фаз входного сигнала и опорного колебания, т.е. имеет место нелинейная зависимость выходного сигнала от фазового сдвига .

При не изменяющемся во времени фазовом сдвиге выходной сигнал детектора равен

Последнее соотношение описывает детекторную характеристику фазового детектора, т.е. зависимость постоянного выходного сигнала детектора от фазового сдвига между немодулированным входным сигналом и опорным колебанием. Детекторная характеристика фазового детектора с выходным ФНЧ – косинусоида – периодическая функция с периодом .

3.8.2. Квадратурный фазовый детектор

На рисунке 3.26 приведена схема квадратурного фазового детектора, содержащего 90-градусный фазорасщепитель и косинусно-синусный опорный генератор КСОГ.

Рисунок 3.26 – Квадратурный фазовый детектор

Таким образом, в случае идеальных ФР и КС0Г на выходе детектора получается только полезный продукт детектирования. При наличии погрешностей этих узлов наряду с полезным продуктом детектирования будет существовать ослабленный побочный продукт.

Следовательно, детекторная характеристика квадратурного фазового детектора также является косинусоидой.

3.8.3.Квадратурный фазовый детектор с пилообразной детекторной

характеристикой

Рисунок 3.26 – Квадратурный фазовый детектор с пилообразной

детекторной характеристикой

Детекторная характеристика, рассчитанная по последней формуле, показана на рисунке 3.27. Из рисунка видно, что она представляет собой периодическую функцию фазы, изменяющуюся по пилообразному закону. Ширина линейных участков характеристики равна 2π. Выходной сигнал детектора не зависит от амплитуды входного сигнала и от амплитуд квадратурных компонент колебания КСОГ.

Рисунок 3.27 – Детекторная характеристика фазового детектора,

изменяющаяся по пилообразному закону

3.9. Частотные детекторы

3.9.1.Автокорреляционный частотный детектор с выходным ФНЧ

Частотный детектор предназначен для формирования выходного сигнала, повторяющего закон изменения частоты входного сигнала.

Рисунок 3.28 – Автокорреляционный частотный детектор с ФНЧ

Поскольку разность фаз является мгновенным отклонением частоты ЧМ сигнала от ее среднего значения, то выходной сигнал представляет собой функцию этого отклонения частоты. Из последнего соотношения следует также, что выходной сигнал прямо пропорционален квадрату амплитуды входного сигнала.

Рисунок 3.29 – Детекторная характеристика автокорреляционного

частотного детектора с ФНЧ

Из-за нелинейности детекторной характеристики возникают нелинейные искажения выходного сигнала детектора.

3.9.2. Квадратурный автокорреляционный частотный детектор

ФР- фазовращатель

Рисунок 3.30 – Квадратурный автокорреляционный частотный детектор

3.9.3. Квадратурный автокорреляционный частотный детектор с внутренним

амплитудным ограничением

На рисунке 3.31 приведена схема квадратурного автокорреляционного частотного детектора с внутренним амплитудным ограничением.

Рисунок 3.31 – Квадратурный автокорреляционный частотный детектор

с внутренним амплитудным ограничением

Выходной сигнал детектора равен разности текущей и предыдущей фазы, У данного детектора два достоинства: линейность детекторной характеристики и независимость выходного сигнала детектора от амплитуды входного сигнала. Последнее позволяет использовать данный детектор без предварительного ограничения амплитуды входного сигнала.

3.9.4. Частотный детектор на цифровой линии задержки

На рисунке 3.32 приведена схема частотного детектора на цифровой линии задержки. Количество элементов задержки равно K = 2m+1, где m = 1,2 .. .

Рисунок 3.32 – Частотной детектор на цифровой линии задержки

Сравнивая последние соотношения с аналогичными выражениями для автокорреляционного частотного детектора, можно сделать вывод о том, что коэффициент третьей гармоники выходного сигнала детектора на цифровой линии задержки в раз больше коэффициента третьей гармоники сигнала на выходе автокорреляционного детектора. Причем с увеличением длины линии задержки искажения увеличиваются. Такой вывод можно сделать и из сравнения детекторных характеристик рисунка 3.33 с детекторной характеристикой рисунке 3.29. Это является недостатком данного детектора. Его достоинство - простота.

Рисунок 3.33 – Детекторные характеристики частотного детектора

на цифровой линии задержки при K=3 и K=5

3.9.5.Синхронно-фазовый частотный детектор

На рисунке 3.34 приведена схема синхронно-фазового частотного детектора. Этот детектор реализуется на кольце фазовой автоподстройки частоты управляемого косинусно-синусного генератора УКСГ по входному частотно-модулированному сигналу. Управление частотой генератора осуществляется путем изменения переменной A_n =A₀ +Rw_n-1. Константа A₀ = 2f₀/F_Д при P=1 задает начальное значение частоты УКСГ при разомкнутом кольце ФАПЧ, равное средней частоте ЧМ сигнала.

Рисунок 3.34 – Синхронно-фазовый частотный детектор

Рисунок 3.35 – Фазовый портрет системы ФАПЧ

Из рисунка видно, что синусоида пересекает ось абсцисс.

Белые точки пересечения являются точками устойчивого равновесия системы, т.к. любому увеличению фазы по сравнению со значением в данной точке соответствует отрицательное приращение фазы, что возвращает точку в исходную позицию.

Соответственно уменьшение фазы приводит к положительному приращению. В отличие от белых точек черные точки являются точками неустойчивого равновесия.