- •Современные методы формирования радиосигналов
- •Введение
- •1. Стабильность частоты автогенераторов гармонических колебаний
- •1.1. Мгновенная частота и ее статистические характеристики
- •1.2. Усредненная частота и ее статистические характеристики
- •1.3. Кратковременная и долговременная нестабильности частоты аг
- •1.4. Влияние нестабильности частоты на характеристики радиотехнических устройств и систем
- •2. Синтезаторы частоты
- •2.1. Основные характеристики синтезаторов
- •2.2. Пассивные цифровые синтезаторы
- •2.4. Методы формирования модулированных сигналов в цифровых синтезаторах
- •3. Функциональные узлы цифровых синтезатороворов с фап
- •3.1. Импульсно-фазовые детекторы
- •3.2. Фильтры нижних частот
- •3.3. Генераторы, управляемые напряжением
- •4. Квантовые стандарты частоты
- •4.1. Источники опорных высокостабильных колебаний
- •4.2. Принцип действия и особенности конструкции квантовых генераторов и дискриминаторов
- •4.3. Активные квантовые стандарты частоты
- •5 000 002.65… Гц.
- •4.4. Пассивные квантовые стандарты частоты
- •5. Усиление сигналов с изменяющейся амплитудой
- •5.1. Нелинейные искажения в усилительных трактах
- •5.2. Особенности использования отрицательной обратной связи для повышения линейности усилительных трактов
- •5.3. Усилительные тракты со связью вперед
- •5.4. Усилители с цифровым формированием огибающей
- •Контрольные вопросы и задания
- •1. Стабильность частоты генераторов гармонических колебаний
- •2. Синтезаторы частоты
- •3. Функциональные узлы цифровых синтезаторов с фап
- •4. Квантовые стандарты частоты
- •5. Усиление сигналов с изменяющейся амплитудой
- •Список литературы
- •7. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов: учеб. Пособие / под ред. В. Н. Кулешова и н. Н. Удалова. М.: Изд. Дом мэи, 2008.
- •Оглавление
- •Современные методы формирования радиосигналов
- •1 97376. С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5
3.2. Фильтры нижних частот
Одним из основных элементов, определяющих динамические свойства ССЧ с ФАП является фильтр нижних частот, включенный между ИФД и ГУН. Для конкретизации требований, предъявляемых к ФНЧ, будем считать, что частотная характеристика коэффициента передачи =полностью определяется параметрами ФНЧ. Сказанное означает, что является частотно-независимым коэффициентом передачи УПТ, а – коэффициентом передачи ФНЧ, причем . Отметим, что сделанные допущенияне ограничивают общности последующих материалов.
Вид частотной характеристики ФНЧ и параметры фильтра выбираются исходя из соображений:
подавления нежелательных спектральных составляющих, возникающих в выходном сигнале ИФД;
подавления фазовых шумов ГУН, ЭГ и ДПКД;
уменьшения длительности переходного процесса при смене рабочих частот;
обеспечения устойчивости процесса автоподстройки частоты;
уменьшения остаточной разности фаз между сигналами ЭГ и ГУН в режиме синхронизма;
обеспечения требуемых качественных характеристик формируемого сигнала при осуществлении угловой модуляции или манипуляции в ССЧ с ФАП.
Перечисленные требования к ФНЧ как к элементу коррекции частотной характеристики кольца ФАП во многом являются взаимно противоречивыми. Ранее (см. 2.2 и 2.3) уже отмечались противоречия при одновременной реализации требований 1, 3, 6 и были рассмотрены методы их разрешения.
Далее остановимся на требовании 2. Из соотношения (2.12) следует, что для эффективного подавления фазовых шумов ГУН и граничную частоту ФНЧ следует увеличивать, что может войти в противоречие с требованием 1. Кроме того, увеличениеи приводит к росту доли фазовых шумов ЭГ и ДПКД в выходном сигнале ССЧ. Из (2.13) следует, что для уменьшения коэффициента передачи шумов ЭГ и ДПКД на выход ССЧи целесообразно уменьшать.
Компромиссное решение указанного противоречия основывается на том, что требования к подавлению шумов ГУН в области частот, где размещается спектр передаваемой информации, т. е. вблизи , более жесткие, чем при больших отстройках от нее. Кроме того, с увеличением отстройки собственные шумы ГУН уменьшаются. Поэтому при малых отстройках в первую очередь следует подавить шумы ГУН. А при больших – шумы, обусловленные ЭГ и ДПКД.
Для сравнения эффективности использования в кольце ФАП фильтра того или иного вида воспользуемся приведенным в 2.3 выражением для коэффициента передачи разомкнутого кольца ФАП, учитывая, что не только ФНЧ, но и остальные элементы кольца обладают инерционностью. В первом приближении для ее учета достаточно в приведенное ранее соотношение для ввести множитель, где– суммарная постоянная времени элементов кольца. С учетом сказанного
. (3.1)
Вбольшинстве практических случаев наличие экспоненциального множителя следует учитывать только при рассмотрении устойчивости процесса автоподстройки.
В качестве ФНЧ могут быть использованы инерционное звено (ИЗ) (простейший RC-фильтр) – рис. 3.8, а, пропорционально-интегрирующий фильтр (ПИФ) – рис. 3.8, б и в, идеальный интегратор с ПИФ и др.
Рис. 3.9
Коэффициенты передачи рассматриваемых фильтров могут быть представлены в следующем виде:
для простейшего RC-фильтра =, где.
для ПИФ =, где,для схемы на рис. 3.8,б и ,для схемы на рис. 3.8,в.
Для иллюстрации влияния ФНЧ на эффективность подавления шумов ГУН, ЭГ и ДПКД рассмотрим логарифмические амплитудные характеристики (ЛАХ) и фазо-частотные характеристики (ФЧХ) коэффициента передачи разомкнутого кольца ФАП для трех случаев. В первом случае кольцо ФАП не содержит ФНЧ, во втором – использованRC-фильтр и в третьем – ПИФ. При построении ЛАХ и ФЧХ использовано соотношение (3.1) и соответствующие характеристики коэффициентов передачи фильтров. При этом наличие экспоненциального множителя не учитывалось.
На рис. 3.9, а и б представлены ЛАХ и ФЧХ кольца ФАП при отсутствии ФНЧ. На рис. 3.9 под критической частотой понимается частота, при которой= 1, т. е. частота, разделяющая области эффективного подавления шумов ГУН (<) и шумов ЭГ и ДПКД (>). Нетрудно заметить, что даже при отсутствии ФНЧ кольцо ФАП обладает отмеченными ранее фильтрующими свойствами по отношению к шумам за счет наличия множителя. Однако в связи с малым наклоном ЛАХ (6 дБ на октаву) в довольно широкой области вблизии то и другое подавление оказываются незначительными. Изменение позволяет уменьшить или повысить , не изменяя наклона ЛАХ и эффективности подавления фазовых шумов.
ФЧХ представляет собой горизонтальную прямую с ординатой, что исключает возможность самовозбуждения кольца ФАП, поскольку обычно, входящее в соотношение (3.1), существенно меньше.
ЛАХ и ФЧХ, представленные на рис. 3.9, в и г, соответствуют случаю использования RC-фильтра. Здесь, выбирая соответствующие значения и , в окрестностиможно реализовать наклон ЛАХ 12 дБ/окт. Таким образом, переход из области эффективного подавления шумов ГУН в область, где подавляются шумы ЭГ и ДПКД происходит более резко, а ширина области малоэффективного подавления сокращается.
Вид ФЧХ в данном случае не исключает возможности самовозбуждения, учитывая, что ≠ 0, что требует обеспечения запаса устойчивости по фазе (ЗУФ)и по амплитуде (ЗУА). Напомним, что запасом устойчивости по фазе называется разность междуина той частоте, на которой модуль,убывая с ростом частоты, достигает единицы (0 дБ по ЛАХ), т. е. на частоте . Запасом устойчивости по амплитуде называется значение модулянатой частоте, на которой модуль достигает. При этом модульдолжен быть меньше единицы.
Отметим, что чем дальше отстоит от(при этом графики ЛАХ и ФЧХ смещаются влево относительно), тем меньшим оказывается ЗУФ. Учитывая наличие экспоненциального множителя в (3.1) ЗУФ нельзя делать слишком малым. Обычно он составляет не менее, что требует выполнения условия≤ 1.7. Поэтому область эффективного подавления шумов ГУН, лежащая влево от, оказывается достаточно узкой.
Лучшими характеристиками обладает кольцо ФАП с ПИФ. Соответствующие зависимости ЛАХ и ФЧХ приведены на рис. 3.9, д и е. В данном случае отрезок ЛАХ с наклоном 12 дБ/окт, включающий , лежит в интервале отдо. Наиболее опасной с точки зрения самовозбуждения является частота,на которой отличие модуляотстановится минимальным. Задаваясь, как и ранее, ЗУФ в, получим= 13.9, т. е. почти четыре октавы. При этом удается реализовать эффективное подавление как шумов ГУН, так и ЭГ и ДПКД.
ФНЧ в виде идеального интегратора и ПИФ обычно используется совместно с ИЧФД с генераторами тока. Такое построение кольца ФАП позволяет в режиме синхронизма обеспечить практически нулевое значение разности фаз сигналов на входах ИЧФД за счет появления компенсирующего напряжения на выходе интегратора [3].