Частотно-фазовая автоматическая подстройка частоты в тракте формирования и генерации радиопередающего устройства и способы ее реализаци
Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«»
Кафедра телекоммуникации
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Устройства приема и передачи сигналов»
(наименование учебной дисциплины)
на тему «Частотно-фазовая автоматическая подстройка частоты в тракте формирования и генерации радиопередающего устройства и способы ее реализации»
Специальность (направление подготовки) 210406.65
(код, наименование)
________Сети связи и системы коммутации______________
Автор работы . _________________
(инициалы, фамилия)
Группа
Руководитель работы ___________________
(инициалы, фамилия)
Работа защищена ________________________
(дата)
Оценка ________________
Председатель комиссии _____________________ ____________________
(подпись, дата)
Члены комиссии
_____________________ ______________________________
(подпись, дата)
_____________________
______________________________
(подпись, дата)
_____________________
______________________________
(подпись, дата)
Курск 2013
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное
государственное бюджетное
«Юго-Западный государственный университет»
Кафедра Телекоммуникации
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ (ПРОЕКТ)
Студент . шифр группа
(фамилия, инициалы)
1.Тема: «Частотно-фазовая автоматическая подстройка частоты в тракте формирования и генерации радиопередающего устройства и способы ее реализации»
______________________________
2. Срок представления работы (проекта) к защите «__» _________ 2013 г.
3. Исходные данные (для проектирования, для научного исследования):
______________________________
4. Содержание
пояснительной записки
4.1способы формирования несущей частоты излучения РПдУ, их достоинства и недостатки;
4.2 структурные элементы РПдУ, формирующие несущую частоту излучения и их место в общей структурной схеме РПдУ;
4.3точность формирования несущей частоты излучения РПдУ и способы ее повышения;
4.4 способы автоматической подстройкой несущей частоты радиоизлучения в РПдУ, их достоинства и недостатки;
4.5частотно-фазовая автоматическая подстройка частоты в тракте фор-мирования и генерации радиопередающего устройства, ее преимущества перед отдельной частотной и отдельной фазовой автоматической подстройкой частоты и способы реализации;
5. Перечень графического материала (если предусмотрено заданием):
______________________________
______________________________
______________________________
Руководитель
работы (проекта) _____________
Задание принял к исполнению ____________________________
(подпись, дата)
Содержание
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
1. Структурная схема радиопередатчика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
2. Генератор сигналов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 Генераторы электрических колебаний.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Генераторы гармонических колебаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
2.3 Устойчивость генераторов. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 Генератор Мейснера на каскаде с общей базой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
3. Точность формирования несущей частоты излучения РПдУ и способы ее
повышения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
4. Автоматическая подстройка частоты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5. Частотная автоподстройка частоты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
5.1
Фазовая автоподстройка
6. Частотно-фазовая автоматическая подстройка частоты. . . . . . . . . . . . . . . . 33
Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
Список использованной литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Введение
При передаче цифровой информации особое внимание уделяется вопросам синхронизации. В частности при использовании PSK сигналов требуется производить различение передаваемых символов по фазе. Но опорные генераторы на передающей и приемной стороне не могут быть когерентны, поэтому прибегают с следящим контурам (петлям), позволяющим производить подстройку генераторов опорных сигналов для когерентной демодуляции.
Такие следящие системы называют контурами фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) — система автоматического регулирования, подстраивающая частоту управляемого генератора так, чтобы она была равна частоте опорного сигнала. Регулировка осуществляется благодаря наличию отрицательной обратной связи. Выходной сигнал управляемого генератора сравнивается на фазовом детекторе с опорным сигналом, результат сравнения используется для подстройки управляемого генератора. Система ФАПЧ используется для частотной модуляции и демодуляции, умножения и преобразования частоты, частотной фильтрации, выделения опорного колебания для когерентного детектирования и в других целях.
- Структурная схема радиопередатчика
Радиопередатчиком называется радиотехническое устройство,
преобразующее первичные
электрические сигналы в
определённой мощности, необходимой для обеспечения радиосвязи на
заданном расстоянии с требуемой надёжностью.
В радиопередающее устройство, кроме радиопередатчика, входит и
антенно-фидерное устройство.
Структурная схема радиопередатчика представлена на рис. 1
Рисунок 1 –
Структурная схема
Радиопередатчик включает следующие узлы:
Возбудитель, предназначенный для преобразования первичных
электрических сигналов в радиосигналы, формирование сетки
высокостабильных частот с заданным интервалом между соседними частотами,
с помощью которых осуществляется перенос сформированных радиосигналов
непосредственно на рабочую частоту в заданном диапазоне.
Генерирование высокостабильных первичных
колебаний осуществляется в спец.
устройствах - возбудителях Р. у. Иногда
(напр., при ЧМ) формирование радиосигналов
производится сразу путём модуляции
первичных колебаний. В качестве
простых возбудителей используются
автогенераторы натранзисторах, лавинно-пролётных
диодах и т. д. Поскольку частота автоколебаний,
близкая к собств. частоте колебательной
системы, зависит от режима работы активного
элемента, принимаются жёсткие меры по
защите всех элементов автогенератора
от влияния дестабилизирующих факторов.
Мин. достижимый уровень нестабильности
частоты автогенератора ограничен шумами,
т. е. естеств. флуктуациями фазы и амплитуды автоколебаний (см. С
Для ослабления влияния последующих каскадов на режим работы возбудителей колебаний в схемы Р. у. включаются т. н. буферные усилители, потребляющие мин. мощность сигнала от автогенератора. Часто в тех же целях прибегают к умножению частоты задающего генератора, что одноврем. повышает устойчивость работы Р. у. в целом. В качестве нелинейных элементов в каскадах умножения частоты используют ВЧ-тран-зисторы, пролётные клистроны и др. активные приборы. В диапазоне СВЧ находят применение полупроводниковые диоды (варикапы).
2. Генератор сигналов
Рисунок 2 – Блок схема генератора сигналов
Генератор сигналов — это устройство,
позволяющее получать сигнал оп
2.1 Генераторы электрических колебаний
- По форме выходного сигнала:
- Синусоидальных, гармонических колебаний (сигналов) (генератор Мейснера, генератор Хартли (индуктивная трёхточка), генератор Колпитца(ёмкостная трёхточка) и др.)[1]
- Прямоугольных импульсов — мультивибраторы, т
актовые генераторы - Функциональный генератор — прямоугольных, треугольных и синусоидальных импульсов
- Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН)
- Генератор шума
Существуют также генераторы более сложных сигналов, таких, как телевизионная испытательная таблица
- По частотному диапазону:
- Низкочастотные
- Высокочастотные
- По принципу работы:
- Стабилизированные кварцевым резонатором — Генератор Пирса
- Блокинг-генераторы
- LC-генераторы
- RC-генераторы[2][3]
- Генераторы на туннельных диодах
- По назначению:
- Генератор тактовых импульсов
Большинство генераторов являются преобразователями постоянного тока в переменный ток. Маломощные генераторы строят на однотактных усилительных каскадах. Более мощные однофазные генераторы строят на двухтактных (полумостовых) усилительных каскадах, которые имеют больший КПД и позволяют на транзисторах той же мощности построить генератор с приблизительно вдвое большей мощностью. Однофазные генераторы ещё большей мощности строят по четырёхтактной (полномостовой) схеме, которая позволяет приблизительно ещё вдвое увеличить мощность генератора. Ещё большую мощность имеют двухфазные и трёхфазные двухтактные (полумостовые) и четырёхтактные (полномостовые) генераторы.
2.2 Генераторы гармонических колебаний
Генератор (производитель)
гармонических колебаний
Цепи положительной обратной связи выполняют две функции: сдвиг сигнала по фазе для получения петлевого сдвига близкого к n*2π и фильтра, пропускающего нужную частоту. Функции сдвига фазы и фильтра могут быть распределены на две составные части генератора — на усилитель и на цепи положительной обратной связи или целиком возложены на цепи положительной обратной связи. В цепи положительной обратной связи могут стоять усилители.
Рисунок 2.2 – Типовой график зависимости амплитуды выходного сигнала генератора от частоты
Необходимыми условиями для
возникновения гармонических
1. петлевой сдвиг фазы равный n*360°±90°,
2. петлевое усиление >1,
3. рабочая точка усилительного каскада
в середине диапазона входных значений.
Необходимость третьего условия.
Петлевой сдвиг фазы и в триггере и в генераторе равен около 360°. Петлевое
усиление в триггере почти вдвое больше,
чем в генераторе, но триггер не генерирует,
так как рабочие точки каскадов в триггере
смещены на края диапазона входных значений
и эти состояния в триггере устойчивы,
а состояние со средней величиной входных
значений — неустойчиво. Такой характеристикой
обладает компаратор.
В гармоническом генераторе среднее состояние
устойчивое, а отклонения от среднего
состояния неустойчивые.
2.3 Устойчивость генераторов.
Устойчивость генераторов
Фазовый анализ генератора Мейснера
Генераторы «индуктивная трёхточка» и «ёмкостная трёхточка» могут быть построены как на инвертирующих каскадах (с общим катодом, с общим эмиттером), так и на неинвертирующих каскадах (с общей сеткой, с общим анодом, с общей базой, с общим коллектором).
Каскад с общим катодом (с общим эмиттером) сдвигает фазу входного сигнала на 180°. Трансформатор, при согласном включении обмоток, сдвигает фазу ещё на приблизительно 180°. Суммарный петлевой сдвиг фазы составляет приблизительно 360°. Запас устойчивости по фазе максимален и равен почти ± 90°. Таким образом генератор Мейснера относится, с точки зрения теории автоматического управления (ТАУ), к почти идеальным генераторам. В транзисторной технике каскаду с общим катодом соответствует каскад с общим эмиттером.
Фазовый анализ LC-генератора с СR положительной обратной связью.
Рисунок 2.3 – генератор с положительной обратной связью
Рисунок 2.3.1 – Фазовая диаграмма генератора с положительной обратной связью
LC-генераторы на каскаде с
общей базой наиболее
2.4 Генератор Мейснера на каскаде с общей базой.
Рисунок 2.4 – Генератор Мейснера
Рисунок 2.4.1 – Фазовая диаграмма генератора Мейснера
Если в «ёмкостной трёхточке» на
каскаде с общей базой в
цепи положительной обратной связи
вместо CR-цепочки включить трансформатор
со встречным включением обмоток, то
петлевой сдвиг фазы составит около
360°. Генератор станет почти идеальным.
Чтобы уменьшить шунтирование контура
каскадом и не внести дополнительного
перекоса фазы, нужно применить частичное
включение контура без
3. Точность формирования
несущей частоты излучения РПдУ
и способы ее повышения
В большинстве
современных радиоустройств, как, например,
локационных, связных и т. п., одной
из наиболее важных задач является
получение электрических
Применяемые
в настоящее время в
а) параметрический;
б) при помощи электромеханических колебательных систем;
в) с автоматической подстройкой.
Для параметрической стабилизации
характерным является:
1) использование высококачественных деталей в контурах, задающих частоту;
2) применение методов компенсации, уменьшающих воздействие температуры на параметры контура;
3) выбор схем
автогенераторов,
Стабилизация
при помощи электро-механических колебательных
систем основана на применении физических
тел, обладающих высокой эталонностью
собственной частоты и малым
декрементом затухания. Кроме этих
качеств, тела, применяемые для стабилизации,
должны обладать свойством преобразования
энергии электрических
Система автоматической
подстройки частоты основана на принципе
автоматического регулирования, широко
применяющемся в различных
Принцип этот
состоит в том, что регулируемый
параметр сравнивается с эталоном.
При отклонении величины параметра
от его номинального значения система
регулирования автоматически
Рисунок 3 –
Блок-схема интерполяционного
Перечисленные три метода могут применяться каждый независимо от другого и совместно в любой комбинации.
В качестве примера комбинированного метода стабилизации можно привести интерполяционные схемы возбудителей. Принцип построения подобных схем, впервые предложенный проф. Зейтленком, легко понять из рассмотрения рисунок 3.1.
Колебания кварцованного генератора 1, имеющие высокостабильную частоту f, и колебания генератора плавного диапазона 2 или, как его иногда называют, интерполяционного генератора, имеющие частоту F, поступают на смеситель 3, в анодную цепь которого включен перестраивающийся резонансный контур, выделяющий одну из комбинационных частот вида f± F. Изменяя частоту F и настройку контура, можно в заданном диапазоне получить любую рабочую частоту.
Обычно интерполяционный генератор, имеющий параметрическую стабилизацию, обладает худшей стабильностью по сравнению с кварцованным генератором. Однако, чем больше частота f по сравнению с частотой F, тем выше результирующая стабильность рабочей частоты f ±F, так как в этом случае отклонение частоты F интерполяционного генератора будет относительно мало сказываться на стабильности рабочей частоты f ±F.
Примем обозначения:
f0- номинальное значение рабочей частоты;
Δf0- отклонение рабочей частоты от ее номинального значения;
Δf- отклонение
частоты кварцованного
- относительная нестабильность рабочей частоты;
- относительная нестабильность
частоты кварцованного
- относительная
- интерполяционное число.
Как известно:
. (3.1)
Если и то из (3.1)следует:
. (3.2)
Из формулы (3.2) следует, что стабильность рабочей частоты в n раз выше стабильности частоты интерполяционного генератора.
Следует отметить, что широко применяются (особенно в измерительной аппаратуре) интерполяционные схемы, в которых рабочая частота образуется в результате смешения колебаний, создаваемых двумя или более кварцованными генераторами.
Недостатком
интерполяционных схем является наличие
на выходе, кроме полезного напряжения
рабочей частоты, также вредных
напряжений других комбинационных частот.
При использовании таких схем
в качестве задающих генераторов
передатчиков эти колебания комбинационных
частот излучаются в окружающее пространство.
При использовании
От указанного недостатка в значительной степени свободны схемы, использующие метод автоподстройки.
В этом случае по одной из указанных выше схем собирается генератор эталонных частот, но колебания, генерируемые им, используются не для излучения в окружающее пространство или для преобразования частоты принимаемого сигнала, а как эталон, по которому автоматически происходит корректировка частоты стабилизируемого генератора.
Блок-схема метода стабилизации частоты при помощи автоматической подстройки изображена на рисунке 3.2. Устройство 2 производит автоматическую регулировку частоты стабилизируемого генератора 3 по частоте генератора эталонных частот 1 и называется системой автоматической подстройки частоты или сокращенно автоподстройки.
В рассматриваемой
схеме для излучения в
Рисунок 3.1 – Блок-схема автоматической подстройки частоты
Автоподстройка
частоты широко применяется также
в так называемых приемниках с
автоматической настройкой. В этом
случае эталонной является частота
сигнала принимаемой
Указанные выше
достоинства определили широкое
использование метода автоподстройки
частоты в современных
В тех случаях,
когда в качестве эталона применяется
частота модулированных колебаний
или когда колебания
4. Автоматическая подстройка частоты
Назначение. Устройства автоматической
подстройки частоты (АПЧ) служат для
стабилизации и управления частотой
автогенератора по эталонному сигналу.
Разнообразно применение систем АПЧ
в радиоприемных и
– в синтезаторах частоты, с помощью которых создается дискретное множество частот при одном эталонном сигнале;
– для стабилизации частоты
мощных автогенераторов по слабому
сигналу эталонного автогенератора,
что позволяет существенно
– для автоматической подстройки частоты гетеродина радиоприемника по частоте принимаемого сигнала.
Обобщенная структурная схема устройства АПЧ. Такая схема приведена на рис. 4. В устройстве сравниваются сигналы эталонного и стабилизируемого автогенераторов, в результате чего вырабатывается сигнал ошибки. После фильтрации этот сигнал управляет стабилизируемым автогенератором, частота которого по установленному алгоритму следит за частотой эталонного автогенератора. В устройство АПЧ входят также преобразователи частоты формируемого сигнала и устройство поиска, осуществляющее ввод всего устройства в режим автоматического регулирования.
Рисунок 4 - Структурная схема устройства ЧАП непрерывного типа
Классификация. В зависимости от способа получения сигнала ошибки различают: устройства частотной автоподстройки частоты (ЧАП), фазовой автоподстройки частоты (ФАЛ) и комбинированные (ЧАП - ФАП). В устройствах ЧАП сигнал ошибки вырабатывается путем сравнения частот сигналов эталонного и стабилизируемого автогенераторов, в устройствах ФАП - путем сравнения t фаз тех же сигналов. По виду сигнала в цепи управления устройства АПЧ подразделяют на непрерывные при аналоговом сигнале и дискретные. Последние, в свою очередь, в зависимости от метода квантования сигнала подразделяют на релейные (при квантовании по уровню), импульсные (при квантовании по времени) и цифровые (при квантовании по уровню и времени).