Автоматические устройства управления и регулировки приемника

Современный приемник работает в меняющихся условиях — могут различаться уровни принимаемых сигналов от разных станций, возможна нестабильность уровня сигнала от одного передатчика из-за изменения условий распространения волн. Часто возникает необходимость обеспечить перекрытие широкого частотного диапазона и высокую точность настройки на определенную несущую частоту. Для выполнения таких требований в приемник вводят устройства, позволяющие вручную или автоматически, непосредственно или дистанционно регулировать коэффициент усиления, частоту настройки и подбирать оптимальный режим работы. Стабильную работу приемника обеспечивают системы автоматической регулировки усиления (АРУ) и подстройки частоты (АПЧ), а также фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Автоматическая регулировка усиления. Такая регулировка обеспечивает на выходе приемника практически неизменный уровень полезного сигнала при больших (50—100 дБ) колебаниях амплитуд входного сигнала. Структурная схема супергетеродинного приемника с АРУ и АПЧ, применяемая в большинстве аналоговых систем радиосвязи с AM-сигналами, приведена на рис. 7.15.

Действие АРУ основано на автоматическом изменении коэффициентов усиления отдельных каскадов усилителей приемника при колебаниях.

Рис. 7.15. Структурная схема супергетеродинного приемника с АРУ и АПЧ.

уровня входного сигнала. Главный элемент АРУ — амплитудный детектор АРУ (Д АРУ), который подключен к выходу УПЧ. Вырабатываемое Д АРУ управляющее напряжение и_у должно быть пропорционально среднему уровню принимаемого сигнала и не зависеть от глубины амплитудной модуляции. Поэтому на выходе детектора АРУ включают ФНЧ (на рис. 7.15 он входит в состав УНЧ).

Постоянное управляющее напряжение и_у поступает на усилительные каскады и изменяет режим работы активных элементов по постоянному току. Рассмотренная схема АРУ является наиболее простой и поясняет лишь принцип действия таких устройств. Основной недостаток данной схемы — уменьшение коэффициента усиления приемника даже при малых уровнях сигнала на выходе, что может привести к его полной потере.

Автоматическая подстройка частоты. Такую подстройку применяют для предотвращения самопроизвольной расстройки приемника с приема выбранной станции, обусловленной нестабильностью частот передатчика и гетеродина. Нестабильность частоты настройки приемника проявляется в нестабильности промежуточной частоты. Чтобы эта частота изменялась в допустимых пределах или была стабильной, применяют АПЧ гетеродина (см. рис. 7.15).

Основной элемент системы АПЧ — частотный детектор (ЧД), подключенный к выходу УПЧ (петля АПЧ). Если промежуточная частота совпадает с номинальным значением, то напряжение на выходе ЧД равно нулю. При отклонении промежуточной частоты от номинальной на выходе ЧД появляется постоянное напряжение м_чл, пропорциональное расстройке приемника с полярностью, соответствущей знаку расстройки. Это напряжение поступает па вход гетеродина и подстраивает его так, чтобы на выходе УПЧ была промежуточная частота. Система АПЧ отслеживает частоту принимаемой станции только в том случае, когда полезный сигнал имеет достаточный уровень и на входе приемника не действует более мощный, близкий по частоте мешающий сигнал. Если же мешающий сигнал поступает па вход приемного устройства, то система АПЧ может настроить приемник не на полезный, а на мешающий сигнал.

Цифровая система АРУ. По выполняемым функциям, принципу действия и структурной схеме система цифровой автоматической регулировки усиления (ЦАРУ) мало в чем отличается от аналоговой АРУ: специфика ЦАРУ состоит лишь в цифровой реализации узлов аналоговой структурной схемы. Одна из проблем, которую необходимо решить при разработке системы ЦАРУ, заключается в ее сопряжении с регулируемыми каскадами (усилителями, управляемыми аттенюаторами и нр.). Если в регулируемом каскаде приемника имеется цифровой управляющий вход, то сопряжение не представляет никаких затруднений. При аналоговом же управлении регулируемым каскадом необходимо ввести в схему приемника дополнительный цифроаналоговый преобразователь.

Рассмотрим структурную схему системы цифровой АРУ (рис. 7.16). В схеме использованы усилительные каскады с нерегулируемым коэффициентом усиления, однако перед ними включен автоматический аттенюатор, переключаемый цифровым кодом. Для определения уровня регулируемого сигнала к выходу УПЧ подключен амплитудный детектор АРУ (Д АРУ). Сигнал на его выходе U_{J{ ЛРУ} подвергается квантованию в АЦП. Проанализируем принцип действия системы ЦАРУ при простейшем, бинарном, квантовании сигнала в АЦП. Алгоритм работы схемы квантователя АЦП при этом следующий:

• • если t/д д_РУ меньше напряжения задержки Е₃ (уровень выходного напряжения УПЧ u_HbiX(t), при котором происходит срабатывание ЦАРУ), то вырабатывается сигнал ошибки Z = -1;
• • если /Уд _Лру больше напряжения задержки ?₃, то Z= +1.

Рис. 7.16. Структурная схема системы цифровой АРУ

Данный сигнал ошибки Z поступает в цифровой интегратор — усредняющий реверсивный счетчик (РС1) с коэффициентом счета R_v При переполнении счетчика РС1 на его выходе появится импульс, увеличивающий или уменьшающий на единицу (в зависимости от знака переполнения) число во втором реверсивном счетчике (РС2). Состояние счетчика РС2 может изменяться в пределах от 0 до /?_2тах. Этот счетчик не должен переполняться: когда код в РС2 достигнет значения 0 или i?_2max, происходит блокировка поступления импульсов соответствующего знака с помощью устройства блокировки переполнения (УБП). Цифровой код счетчика РС2 регулирует коэффициент передачи управляемого аттенюатора, который изменяет коэффициент усиления УПЧ. Частоту f_А дискретизирующей последовательности импульсов выбирают в 10—15 раз больше верхней частоты спектра сигнала на входе АЦП. Последняя определяется шириной полосы пропускания ФНЧ детектора ЛРУ.

Цифровая система ФАПЧ. Структурная схема системы ФАПЧ представлена на рис. 7.17. В системе производится сравнение на фазовом детекторе фаз некоторого эталонного сигнала частоты/_с и колебания частоты/_уг, вырабатываемого управляемым генератором (УГ). Затем осуществляется.

Рис. 7.17. Структурная схема системы ФАПЧ

подстройка частоты /_уг управляемого генератора под эталонную частоту /_с. Схема характеризует как аналоговую, так и цифровую систему ФАПЧ (ЦФАПЧ). В последнем случае все или некоторые блоки схемы на рис. 7.17 выполняют цифровыми. При этом возможны различные варианты реализации отдельных блоков.

Структурная схема ЦФАПЧ показана на рис. 7.18, а. В качестве У Г в ней использована отдельная интегральная схема (обозначена Г; входы Q и ?1); ФД реализован на одном логическом элементе «Исключающее ИЛИ» (=1). Наиболее современной является полностью цифровая система ЦФАПЧ приемника, в которой ФНЧ выполнен, но схеме ЦФ, в качестве фазового детектора использована схема ЦФД, а УГ имеет цифровое управление (рис. 7.18,6). Использование высокостабильных гетеродинов позволяет принципиально решить задачу настройки приемника на частоту принимаемого сигнала. Для получения стабильных частот в неперестраиваемых приемниках в схему гетеродина вводят автогенератор с кварцевой стабилизацией частоты. Если же станционный передатчик работает на ряде фиксированных частот, то в приемниках в качестве гетеродинов используются синтезаторы частоты.

Рис. 7.18. Структурные схемы цифровых ФАПЧ:

а — упрощенная с аналоговым ФНЧ; 6 — цифровая Двойное преобразование частоты в приемниках. Избирательность по зеркальному каналу повышают путем увеличения промежуточной частоты, что достигается ее двойным преобразованием. Рассмотрим структурную схему приемника с двойным преобразованием частоты (рис. 7.19), позволяющего перекрывать ряд частотных диапазонов и существенно снижать помехи зеркального канала.

В случаях, когда частоту несущей необходимо уменьшить в сотни раз, ее понижают вначале первым преобразователем ПЧ1, состоящим из смесителя (СМ1), гетеродина (Г1) и усилителя промежуточной частоты (УПЧ1), до первой промежуточной частоты. Обычно эта частота ниже частоты сигнала в 10—20 раз. Поскольку частота зеркального канала на 10—20% отличается от несущей частоты, то первое преобразование позволяет сущест;

Рис. 7.19. Структурная схема приемника с двойным преобразованием частоты

венно ослабить зеркальные помехи. Затем преобразованный сигнал подается на второй преобразователь ПЧ2, где с помощью смесителя (СМ2), гетеродина (Г2) и усилителя промежуточной частоты (УПЧ2) частота понижается до номинального значения.