Следящий фильтр-демодулятор

 

СЛЕДЯЩИЙ ФИЛЬТР-ДЕМОДУЛЯТОР, содержащий после 1;овательно соединённые реверсивный счетчик и цифро-аналоговый преобразователь, последовательно соединенные первьй фильтр нижних частот, управляемьм генератор-, выход которого является выходом, следящего фильтра-демодулятора, фазовьш А-л 13 MMmiEKf детектор и второй фильтр нижних частот , а также коммутатор, при этом другой вход фазового детектора является входом следящего фильтра-демодулятор-а , о тлич ающий с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости , быстродействия и чувствительности , в него введены управляемый фазовращатель, сумматор и фильтр промежуточной частоты, включенный между выходом коммутатора и входом реверсивного счетчика, выход цифро-аналогового -преобразователя подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом коммута§ тора, а выход сумматора подключен к входу первого фильтра нижних частот, (Л выход второго фильтра нижних частот С соединен с входами коммутатора и управляемого фазовращателя, выход коток рого подключен к управляющему входу с коммутатора, а управляюгдай вход управляемого фазовращателя подключен к выходу цифро-аналогового преобразоваО со теля.. . СП оо ел 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ 1095358

OllHCAHHE ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3503493/18-09 (22) 21. 10. 82 (46) 30.05.84. Бюл. ¹- 20 (72) В.И. Неволин, В.В. Лямин, А.Ю. Баранов и В.А. Гаврюшин (71) Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им. С.M. Кирова и Кыштымский радиозавод (53) 621.372.543:621.376(088.8)(56) 1. Патент США ¹ .3863156, кл. 325-346, 1975.

2. Рыжков А.В..Комбинированная система ФАПЧ с реверсивным поиском.—

"Электросвязь", 1975, № 10, с. 68-70 (прототип). (54) (57) СЛЕДЯЩИЙ ФИЛЬТР-ДЕМОДУЛЯТОР, содержащий последовательно соединенные реверсивный счетчик и цифро-аналоговый преобразователь, последова.— тельно соединенные первый фильтр нижних частот, управляемый генератор, выход которого является выходом. следящего фильтра-демодулятора. фазовый < 11 H 03 Н 21/00, H 03 D 3/04 детектор и второй фильтр нижних частот, а также коммутатор, при этом другой вход фазового детектора является входом следящего фильтра-демодулятора, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, быстродействия и чувствительности, в него введены управляемый фазовращатель, сумматор и фильтр промежуточной частоты, включенный между выходом коммутатора и входом реверсивного счетчика, выход цифро-аналогового преобразователя подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом коммутатора, а выход сумматора подключен к Е входу первого фильтра нижних частот, выход второго фильтра нижних частот соединен с входами коммутатора и уп- С равляемого фазовращателя, выход которого подключен к управляющему входу И коммутатора, а управляющий вход управляемого фазовращателя подключен к

)аеей выходу цифро-аналогового преобразователя.

1095358

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в различных радиотехнических устройствах, в частности в устройствах синхронизации частоты и фазы. 5

Известен следящий фильтр-демодулятор с использованием системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с улучшенными динамическими характеристиками, такими как большая полоса за- 1О

1 хвата и малое время вхождения в синхронизм при узкой полосе пропускания.

Улучшение динамических характеристик

ФАПЧ производится за счет линеаризации характеристики фазового детектора до 1$ размеров линейного участка, превышающих 360 Р j.

Недостатки данного устройства обусловлены некачественной в составе всей системы работой первичного фа- 20 зового детектора, который должен производить первичную нелинейную обработку входного сигнала на основе идеальной пилообразной характеристики. 25

Наиболее близким техническим решением к предложенному по техническои сущности является следящий фильтрдемодулятор, содержащий последовательно соединенные реверсивный счет- 30 чик и цифро-аналоговый преобразователь, последовательно соединенные первый фильтр нижних частот, управляемый генератор, выход которого является выходом следящего фильтра-демодулятора, фазовый детектор и второй фильтр нижних частот, а также коммутатор, при этом другой вход фазового детектора является входом следящего фильтра-демодулятора, выход перного фильтра нижних частот соединен с входом управляемого генератора,с другим входом которого соединен выход второго фильтра нижних частот, а коммутатор выполнен в виде блока 45 выделения разностной частоты f2 ).

В известном следящем фильтре-демодуляторе применяется комбинированное управление частотой управляемого генератора (УГ) за счет двух петель обратной связи. Первая петля обратной связи,как и в обычной ФАПЧ состоит из фильтра нижних частот (ФНЧ), УГ и фазового детектора с нелинейной

55 периодической характеристикой, При этом необходимо, чтобы характеристика фазового детектора была пилообразной, Но при реализации указанной характеристики существуют значительные трудности, причем реальная характеристика отличается от пилообразной из-за наличия обратного участка.

Первая петля является узкополосной и предназначена для .обеспечения необходимых фильтрующих свойств данной системы. Поэтому она,как и в обычной нелинейной системе ФАПЧ,имеет узкую полосу захвата.

Для расширения полосы захвата имеется вторая петля, состоящая из блока выделения разностной частоты, реверсивного счетчика с цифро-аналоговым преобразователем, второго фильтра нижних частот и УГ. При этом последовательно соединенные блок вьщеления разностной частоты, реверсивный счетчик и цифро-аналоговый преобразователь образуют эквивалентный второй фазовый детектор, выходное напряжение которого изменяется дискретно, пропорционально фазовой ошибке 360оп (n = 0,1,2,...), т.е. количеству периодов частоты биений между сигналами входной и опорной частот.

Суммирование выходных напряжений обоих фильтров нижних частот осуществляется в УГ, в результате чего данная комбинированная двухпетлевая система ФАПЧ имеет независимые друг от друга полосы захвата и пропускания.

Недостатком известной системы и следящего фильтра-демодулятора на ее основе является наличие частотного порога у блока выделения разностной частоты, который образован импульсными элементами — триггерами. Триггеры имеют ограниченное, конкретное для данной элементной базы, быстродействие, поэтому минимальная разность частот, определяемая триггерами, может быть определена из следующего соотношения: где Й1 — частота сигнала;

f 2 — частота УГ.

Так как f q = 1/Т, а f2 = 1/(т+ ), то из (1) можно получить для минимальной разностной частоты: здесь й,„д — 1/7, максимальная частота триггеров. Например, для

1095358 4 ия5

10 фиг.2 — диаграммы, поясняющие его

10 кГц, Е„, „= 10 мГц (микросхемы

155 серии), лй „„»10 Гц.

Поэтому при использовании данной системы в качестве следящего фильтра или демодулятора возникают ограничен на минимальную полосу пропускания системы, происходит нарушение следящего режима при частотной расстройке превышающей полосу удержания первой петли. В следящем фильтре это приводит к увеличению паразиткой фазовой модуляции выходного колебания, а в демодуляторе — к появлению нелинейных искажений выходного сигнала и дополнительных шумов, т.е. ухудшению помехоустойчивости всего устройства.

Значительному расширению полосы удержания первой петли могут препятствовать технические ограничения на величину элементов первого ФНЧ при 20 увеличении его постоянной времени.

Кроме того, повышение порядка нелинейной системы ФАПЧ приводит к увеличению времени переходных процессов, т.е. времени вхождения в синхронизм. 25

Наличие двух фазовых детекторов приводит к увеличению необходимой номинальной входной мощности сигнала, понижению, чувствительности, что может оказать существенное влияние, щ например, в диапазоне СВЧ, где возникают определенные трудности при созда-! нии мощных и экономичных широкополосных усилителей.

Цель изобретения — повышение поМе- 5 хоустойчивости, быстродействие и чувствительности.

Цель достигается тем, что в следящий фильтр-демодулятор, содержащий последовательно соединенные реверсив-40 ный счетчик и цифро-аналоговый преобразователь, последовательно соеди-. ненные первый фильтр нижних частот, управляемый генератор, выход которого является выходом следящего фильтра- 45 демодулятора, фазовый детектор и второй фильтр нижних частот, а также коммутатор, при этом другой вход фазового детектора является входом следящего фильтра-демодулятора, вве- 5î дены управляемый фазовращатель, сумматор и фильтр промежуточной частоты, включенный между выходом коммутатора и входом реверсивного счетчика, выход цифро-аналогового преобразователя 55 подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом коммутатора, а выход сумматора подключен к входу первого фильтра нижних частот, выход второго фильтра нижних частот соединен с входами коммутатора и управляемого фазовращателя, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора, а управляющий вход управляемого фазовращателя подключен к выходу цифро-аналогового преобразователя.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема предложенного следящего фильтра-демодулятора; на работу.

Следящий фильтр-демодулятор содержит коммутатор 1, фильтр промежуточной частоты (ФПЧ) 2, реверсивный счетчик 3, цифро-аналоговый преобразователь {ЦАП) 4, сумматор 5, первый фильтр нижних частот.(ФНЧ) 6, управляемый генератор (УГ) 7, фазовый детектор (ФД) 8, второй фильтр нижних частот (ФНЧ) 9, управляемый фазовращатель 10, причем коммутатор

1 состоит из двух ключей 11 и 12 и вычитателя 13.

Следящий фильтр-демодулятор работает следующим образом.

Работа фильтра-демодулятора основана на линеаризации нелинейного уравнения обычной системы ФАПЧ:

R„=dYt È.Ë„F(e ...(;, где Я „— начальная частотная расст-. ройка;

Q полоса удержания;

Э вЂ” операция свертки;

<(il — импульсная характеристика

ФНЧ 6 в обратной связи;

Е(Ч} — характеристика фазового детектора (ФД) 8.

В данном случае линеаризуется ха,рактеристика F (V) не только в режиме захвата, но и в режиме слежения, когда частотная расстройка превышает полосу удержания. На выходе ФД 8 с характеристикой, близкой к треугольной форме (такую характеристику можно получить в векторных ФД), после ФНЧ 9 имеется квазигармоническое напряжение с переменным периодом (кривая 14, фиг.2) . Такая форма на. пряжения будет как s режиме захвата, так и в режиме слежения, например, за частотно"модулированной несущей, если при этом мгновенная фазовая о ошибка значительно превышает 360.

С выхода ФНЧ 9 напряжение поступает

S 109535 на коммутатор 1 и управляемый фазовращатель 10, в составе которого имеется биполярный усилитель-ограничитель. Он осуществляет широкополосный сдвиг напряжения на 9Ж При этом

1t установление "опережения" или отставания" по фазе относительно входного напряжения производится с помощью управляющего входа. Приведенная на фиг.2 кривая 15 "опережает" исходную 1О на 90. Режим "опережения" или "отставания" не имеет принципиального значения, так как для устойчивой замкнутой системы, описываемой уравнением (3), Йеобходимо, чтобы обратная 15 связь имела отрицательный характер, т.е. произведение коэффициентов передач отдельных звеньев, входящих в замкнутую систему, было бы положительным. Изображенные на фиг.2 кривые 20 соответствуют положительной начальной расстройке, при этом в коммутаторе 1 реализуется алгоритм

ВЫх ком(} 6 ()" Ф ()t (4}

Помехоустойчивость предлагаемого следящего фильтра-демодулятора по сравнению с известными повьппается также и потому, что у него формирование сдвинутого напряжения производится уже после первичной обработки .входного колебания, такого как,на,ример, смеси полезного сигнала с где U (C} — напряжение на выходе вых ком коммутатора 1;

0 (Ц вЂ” напряжение входного ьх сигнала;

О (q) — напряжение на выходе3О ФВР управляемого фазовращателя, так,что произведение 5Ф К коммутатора

10, где S < — крутизна характеристики ФД, К вЂ” коэффициент передачи, не- 35 смотря на наличие участков с отрицательной крутизной в характеристике

: ФД 8 °

Выходное напряжение коммутатора 1 имеет вид кривой 16 (фиг.2). Фронт 4О напряжения коммутатора 1 определяется в основном, быстродействием управляемого фазовращателя 10 и коммутатора

1. Поэтому элементную базу этих узлов можно выбрать так, что на выходе

ФПЧ 2 будут выделяться импульсы (кривая 17, фиг. 2), амплитуда которых равна величине перепада выходного напряжения коммутатора 1. Эти импульсы запускают реверсивный счетчик 3 50 с цифро-аналоговым преобразователем

4, на выходе которого формируется ,ступенчатое напряжение (кривая 18, фиг.2), которое, суммируясь в сумматоре 5 с выходным напряжением ком- 55 мутатора 1 после дополнительной фильтрации ФНЧ 6, создает напряжение (кривая 19, фиг.1), управляющее частотой

УГ 7. В результате указанных операций в следящем фильтре-демодуляторе производится расширение (линеаризация) монотонного участка характеристики ФД 8 до значений 2ГIЙ (м — емкость реверсивного счетчика 3). Режиму, когда в начальный период работы сдвиг фаз в управляемом фазовращателе 10 установлен неправильно, соответствует кривая 20 (фиг.2), при этом первоначально обратная связь будет положительной (ПОС), система становится неустойчивой, реверсивный счетчик 3 переполняется и в нем происходит в момент 1„ сброс (на фиг.2 показан случай нулевой частотной расстройки). Выделенный, например, с помощью дифференцирующей цепи импульс (кривая 21, фиг.2) переключения "опережение-отставание11 значительно превышает остальные импульсы, так как ЬЦд„ „ /д0„,„ =М >)1.

Таким образом, в предлагаемом следящем фильтре-демодуляторе обеспечивается сдвиг фаз на 90 в очень широком диапазоне частот, которые снизу не имеют принципиального ограничения, а сверху могут простираться до частоты среза ФНЧ 9.

Введение управляемого фазовращателя 10 после фазового детектора .8 позволяет улучшить также важные показатели качества следящего фильтрадемодулятора, как помехоустойчивость, быстродействие и потребляемая от источника сигнала мощность. По сравнению с прототипом, а также с другими аналогичными устройствами, имеющими дополнительный квадратурный канал разностной частоты, в предлагаемом

Ь следящем фильтре-демодуляторе к источнику сигнала, а также к УГ подключен только один ФД. Это позволяет снизить потребляемую от источника сигнала мощность (т.е. повысить чувствительность) примерно в два раза, так как и эквивалентный ФД, и другие типы дополнительных ФД особенно в диапазоне СВЧ имеют одинаковые входные импедансы.

1095358 хоустойчивость.

"белым" шумом. При этом вследствие релеевского закона плотности вероятностей амплитуд существует вероятность близких к нулю амплитуд (эта вероятность увеличивается с уменьше нием отношения сигнал/шум). В известных аналогах с формированием напряжений в фазовой квадратуре на несущей частоте выходное напряжение коммутатора 1 формируется как

0„,„„. (4}=A(t}sin x(t}s gn(A(<}cosx(tj+.), (g} где A(t) — амплитуда смеси; х(1) — фазовая ошибка в системе

ФАПЧ;

d — постоянное смещение, обусловленное неточностью установки нулевого уровня срабатывания функционального узла, формирующего функцию sign (-), например компаратора или триггера

Шмитта.

Как следует из выражения (5), нули функции sign(A(t) cos х (t) + Д }, в которых происходит переключение коммутатора 1 и постоянное формирование отрицательной обратной связи следящей петли, определяются также соот30 ношением величин A(4) и d . Поэтому при близких значениях их модулей, но различных знаках может произойти неправильное переключение коммутатора 1, т.е. система перейдет в регенеративный режим до нового переключе-З5 ния. Таким образом, устройствам с алгоритмом (5) свойственно нарушение нормальной работы, что прежде отражается на ухудшении помехоустойчивости, В предлагаемом следящем фильтре- 40

:демодуляторе же сдвинутое напряжение формируется как () ф п(О с01(А(ЦысБ йх(Ц) А). (61

УФвР ФсАх

При этом минимальным значениям

А(1) соответствует максимальное значение cos)A(t) агс sin x(t)3, x(t) Ф

Ф О, и так как Ь((й,„ х p To нули зна 50 ко ой функции уже не зависят от сост. ношения A(C) и A . Количественно этот

Ф вынгрыш т можно оценить, определив соответствующие условные вероятности, 55 щ " - AW(A(90 dA/ AW(A/180 )dÀ) р (<во } о о (Ц

8 где ф(А/90 ),W(A/180 ) — условные плотности вероятности соответственно для фазовых ошибок 90 и 180

Например, для р = 7 согласно (7) а = 3 (p — - входное отношение сигнал/шум). Введенный управляемый фазовращатель 10 позволяет также повысить быстродействие, так как при формировании квадратурных напряжений на несущей частоте необходим на эту частоту широкополосный фазовращатель на +90 . Создание фазовращателя на реактивных элементах в отличие от фазоразностной цепи с большим перекрытием по частоте представляет сложную техническую задачу. Данный управляемый фазовращатель 10, выполняющий операцию (см. формулу 6) cos(А(с)

axcsin x(t)3, может быть реализован. на безынерционных элементах, обладающих достаточной широкополосностью.

Для повышения помехоустойчивости введен ФПЧ 2. Его полоса пропускания выбирается таким образом, чтобы пропустить у выходного напряжения коммутатора 1 только спектр перепадов от

-U<> po +U4,> щс,„ . При этом фильтруются как помехи, спектр которых расположен в более низкочастотной области (в области возможных начальных частотных расстроек), так и паразитные импульсы, возникающие при коммутации цепей внутри коммутатора 1 и управляемого фазовращателя 10. Послед ние вызваны несимметрией парафазных структур этих устройств и их спектры находятся выше спектров перепадов.

Таким образом, с помощью ФПЧ 2 устраняется ложный запуск реверсивного счетчика 3, т.е. увеличивается поме.С помощью сумматора 5 улучшается работа следящего устройства, в котором в качестве УГ 7 применяется генератор с варикапом, имеющим нелинейную характеристику управителя частоты. В предложенном следящем фильтредемодуляторе после сумматора 5 формируется непрерывное напряжение управления частотой УГ7 (кривая 19, фиг.2), при этом возникающие разрывы вследствие задержки сигналов в обеих петлях обратной связи (ОС) могут быть сглажены .ФНЧ 6. В прототипе суммирование происходит непосредственно в контуре УГ. Приращения частоты bf в этом случае для приращения фазовой ошибки на 360 соответственно для а

10953

Ь п ма

Так zaK модули / 1,1/ и /Лапша/ при использовании почти всей вольтфарадной характеристики современных варикапов из-за ее значительной нелинейности отличаются в г-3 раза, то паразитная фазовая модуляция УГ в самых неблагоприятных случаях близка к 100K ° узкополосной и широкополосной петлей

ОС равны

ЬЕ„„= 1 (1-дС„ /2C ); (В

,„-, (<- с,/zc ), <и

I . где Сц — емкость варикапа;

AC — приращение емкости.

В выражении (8) d C< = const, так как оно определяется максимальным значением выходного напряжения ФД при постоянном напряжении смещения на первом варикапе. На втором варикапе, приращение емкости и С которого определяет приращение И д малые шп 1$ приращения напряжения ЦАП при изменении кода реверсивного счетчика на один импульс также одинаковые, но ра: бочая точка нелинейной вольт-амперной характеристики определяется

Ф состоянием реверсивного счетчика,т.е.

20 начальной частотной расстройкой.

Поэтому приращение емкости йС, а значит и приращения частоты по второй петле ОС зависят от частотной расст25 ройки. Поэтому суммирование напряжений в контуре приведет к появлению паразитной фазовой модуляции у коле.баний УГ, величину которой можно оценить следующим дбразом. Подобная паразитная фазовая модуляция физически объясняется тем, что при некотором значении статистической фазовой ошибки, обусловленной наличием частотной расстройки, управление часто той УГ происходит при одновременных З5 переключениях в обеих ветвях. При этом из-за указанного выше эффекта нарушается линейный режим слежения фазы УГ за фазой входного сигнала,. т. е. появляется дополни- 4О тельная собственная модуляция фазы УГ. Количественно это определяется из следующего соотношения:

58

10:

Таким образом, используемый в прототипе способ суммирования в УГ, имеющем нелинейную характеристику управителя частоты, .является технически неприемлемым.

В качестве базового устройства может служить нелинейная система

ФАПЧ с периодической характеристикой фазового детектора и пропорциональноинтегрирующим фильтром низких частот в цели обратной связи. Такая система

ФАПЧ в настоящее время широко применяется в различных радиотехнических устройствах, так как у нее полоса пропускания может быть выбрана относительно независимо от полосы захвата. Однако при больших соотношениях полоса захвата / полоса пропускания в данной ФАПЧ время вхождения в синхронизм существенно возрастает. Так, например, если определенное выше соотношение составляет около 1000, то время вхождения для ФАПЧ будет больше времени для предлагаемого следящего фильтра-демодулятора с такой же полосой пропускания более чем на порядок.

Время для ФАПЧ при больших соотношениях полоса захвата/полоса пропус.— кания имеет сильно выраженную степенную зависимость от начальной расстройки. Для предлагаемого следящего фильтра-демодулятора это время, определяемое из выражения (3), находится как логарифм начальной расстройки:

,„,„ = тЕ2УЯ„)Я„(Ч„/а-У, т = г1/а, где Y — остаточная фазовая ошибка.

В этом случае время мало зависит от начальной расстройки, это различие является основным техническим преимуществом предлагаемого следящего фильтра-демодулятора по сравнению с базовым, так как от времени вхождения в синхронизм зависит время подготовки всей радиотехнической или какой-либо другой системы к оперативной работе. Так, например, в радионавигационных морских устройствах применение такого устройства увеличивает надежность правильного определения координат судна, что уменьшает вероятность посадки судов на мель, вероятность столкновения судов, т.е. увеличивает безопасность морского су1довождения.

1095358

УФЮР

P/79

77 иеае фиг. 2

Составитель А. Меньшикова

Редактор М. Дылын Техред .Дубинчак Корректор С, Лыжова, Заказ 3620/40 Тираж 862 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент"; r... .Ужгород, ул. Проектная, 4