Функціональні і структурні схеми систем радіоавтоматики
1. Система фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ)
Усистемі АПЧ – керуюча напруга, пропорційна /> (w0-центральна частота), не в станізвести до нуля розстройку по частоті Wс. Система АПЧ є статичною. Величинастатичної помилки пропорційна величині початкової неузгодженості по частоті.
Усистемі ФАПЧ керуюча напруга пропорційна різниці фаз сигнальної й опорноїнапруги.
Цянапруга зводить до нуля початкову розстройку по частоті. Отже, у системі ФАПЧвідсутня статична помилка внаслідок інтегральної залежності різниці фаз відчастотної розстройки. Система ФАПЧ є астатичною системою автоматичногорегулювання.
Астатизмсистеми автоматичного регулювання визначається числом інтегруючих ланок. У системіФАПЧ відбувається одне інтегрування, тому ФАПЧ – це система з астатизмомпершого порядку.
СистемиФАПЧ широко застосовуються в радіотехнічних пристроях різного призначення.
Вонизастосовуються як слідкувальні фільтри для відновлення носійної в радіоприймачіпри односмуговій і балансовій модуляції; у системах передачі повідомленьметодом фазової маніпуляції; для автоматичного підстроювання частоти і фазирядкового розгорнення в телевізорі; у системах кольорового телебачення зквадратурною модуляцією колірної піднесійної; для виділення сигналу на тлі шумув доплеровських системах; для демодуляції сигналів з фазовою модуляцією; дляпобудови генераторів, що перестроюються по частоті, високостабільних коливань;у пристроях відтворення магнітного запису й в інших галузях.
Усхемному відношенні система ФАПЧ відрізняється від системи АПЧ використаннямзамість частотного дискримінатора фазового дискрімінатора (рис.1).
/>
Рисунок1 – Структурна схема системи ФАПЧ
Принципдії системи ФАПЧ полягає в такому. Коливання сигналу ис(t) ігенератора, що підстроюється, ПГ надходять на фазовий детектор ФД. При неузгодженостізазначених коливань по фазі на виході ФД з'являється напруга, яка, пройшовшичерез фільтр нижніх частот ФНЧ, впливає за допомогою керуючого елемента КЕ начастоту генератора, який підстроюється, ПГ так, що вихідна фазованеузгодженість зменшується.
Приправильному виборі параметрів у системі ФАПЧ установлюється синхронний режим, уякому частота і фаза генератора, що підстроюється, стежить за частотою і фазоюсигналу ис(t). Перехід до синхронного режиму роботи забезпечується вмежах визначеного діапазону початкових розстроєк між частотами сигналу ігенератора, що підстроюється, який називають смугою захоплення.
Складемоструктурну схему системи ФАПЧ. Різниця фаз />j коливань, що подаються нафазовий детектор, дорівнює j=jс-jм, де jз і jм – фази коливань сигналу ігенератора, що підстроюються, відповідно.
Якщоне враховувати інерційності амплітудних детекторів, що входять до складу ФД, тойого вихідна напруга записується так:
/> ,
деF(j) і x(t) – відповідно математичнечекання і флуктуаційна складова вихідної напруги. Функція F(j), називається дискримінаційноюхарактеристикою фазового детектора, є періодичною з періодом 2p. Її форма залежить від схемиФД і співвідношення амплітуд вхідної напруги.
Керуючанапруга ud=uф, що знімається з виходу ФНЧ, зв'язана знапругою ud лінійним диференціальним оператором
/> .
Прироботі на лінійній ділянці регулювальної характеристики генератора, щопідстроюється, його частота wг зв'язана з напругою uф ( лінійною залежністю />,
деSP – крутість регулювальноїхарактеристики, wГс – значення власної частотигенератора за відсутності керуючої напруги. Частота wГс з урахуванням їїнестабільності h визначається рівністю />, де wГ0 – початкове значення частотигетеродина.
Оскількина ФД напруга сигналу і гетеродина порівнюються по фазі, необхідно від частоти wГ генератора, що підстроюється, перейтидо його фази:
/> ,
деφг0 – початкова фаза коливань ПГ.
Структурнасхема системи ФАПЧ, складена на підставі наведених співвідношень, має вигляд(рис. 2)
/>
Рисунок2 – Структурна схема системи ФАПЧ
Блок/>відображає в структуріоперацію інтегрування. Якщо ввести в розгляд нові змінні j1=jс-wГ0t-jГ0, j2=jГ-wГ0t-jГ0, то структурна схема спрощується інабуває такого вигляду (рис.3):
/>
Рисунок3 – Спрощена структурна схема системи ФАПЧ
2 Системи спостереження за часовим положенням імпульсного сигналу(системи АСД)
Системиспостереження за часовим положенням імпульсного сигналу застосовуються дляавтоматичного вимірювання дальності імпульсним радіолокатором; для виділенняперіодично повторюваних імпульсів на тлі перешкод у системах зв'язку зімпульсними піднесійними. Такі системи спостереження мають назву часовихавтоселекторів.
Функціональнасхема системи подана на рис. 4. Радіолокаційний приймач відкривається(стробується) за допомогою часового автоселектора на короткі інтервали часуочікуваного приходу ехосигналу від обраної цілі. Ця міра підвищуєзавадостійкість прийому.
/>
Рисунок4 – Структурна схема часового авто селектора
Строб-імпульсиформуються спеціальним формувачем Ф, що входить до складу часовогоавтоселектора. До складу часового автоселектора входять також часовийдискримінатор ЧД, пристрій, що згладжує, пристрій регульованої часової затримкиПРЧЗ.
Поєднанняв часі строб-імпульсів з ехосигналами цілі в кожному циклі зондуваннязабезпечується роботою слідкувального автоселектора. З цією метою формувач Фформує два селекторних імпульси СІ1 і СІ2. Імпульси прямокутної форми СІ1 і СІ2розташовуються симетрично щодо середини строб-імпульсу і ідуть безпосередньоодин за одним.
Згладжуючийпристрій містить два послідовно включених електронних інтегратори І1 і І2 ікоригувальний RС — ланцюжок КЛ. Електронні інтегратори можна виконати, наприклад,на операційних підсилювачах.
Часовийдискримінатор містить два каскади збігів КЗ1 і КЗ2 на два входи кожен ідиференціальний детектор ДД. Вихідна напруга каскадів збігів КЗ1 і КЗ2утвориться в результаті збігу селекторних імпульсів СІ1 і СІ2 і ехосигналуцілі. Імпульси ІС1 і ІС2 детектуються і віднімаються в диференціальномудетекторі, утворюють вихідну напругу дискримінатора.
Зондувальніімпульси ЗІ, що виробляються синхронізатором радіолокатора, запускають могутнійімпульсний генератор, що формує радіоімпульси, випромінювані антеною, іодночасно запускають пристрій регульованої часової затримки ПРЧЗ автоселектора.Як ПРЧЗ можна використати, наприклад, фантастрон, пристрій часової затримки, щокерується цифровим кодом.
Тривалістьімпульсу затримки ІЗ, що виробляється фантастроном, залежить від величиникеруючої напруги u2.
Відзаднього фронту (спаду) імпульсу затримки запускається формуач селекторнихімпульсів Ф. Перший селекторний імпульс формується мультивібратором, що очікує,а другий селекторний імпульс утвориться шляхом затримки першого на час, рівниййого тривалості, за допомогою лінії затримки. При зміні керуючої напруги u2селекторні імпульси зміщаються в часі щодо зондувального імпульсу в межах віднуля до 0,95Т3,, де Т3 – період повторення зондувальнихімпульсів.
Начасових діаграмах, що пояснюють функціонування автоселектора, ехоімпульс умомент часу t1 збігається з першим селекторним імпульсом СІ1. Урезультаті на виході каскаду збігів КЗ1 з'являється імпульс збігів ІЗ1, щозменшує по абсолютній величині напругу на виході першого інтегратора навеличину Du1.1 У проміжку між імпульсами напруга на виході першого інтеграторазберігається постійною. Унаслідок зменшення напруги на виході першогоінтегратора, вихідна напруга другого інтегратора, хоча і продовжуєзбільшуватися, але з меншою швидкістю.
Вміру збільшення напруги на виході другого інтегратора зменшується тривалістьімпульсу затримки З. Завдяки цьому в момент часу t2 селекторні імпульсиСІ1 і СІ2 розташовуються відносно чергового ехоімпульса ЕІ так, що великачастина ЕІ перекривається з імпульсом СІ1, а менша — з імпульсом СІ2. Теперутворяться два імпульси збігів, – ІЗ1 і ІЗ2, причому ІЗ1 має велику тривалістьу порівнянні з ІЗ2. Імпульс ІЗ1 приводить до подальшого зменшення негативноїнапруги на виході першого інтегратора, а імпульс ІЗ2, навпаки, збільшує цюнапругу. Оскільки тривалість ІЗ1 більше тривалості ІЗ2, то результуючанегативна напруга на виході першого інтегратора зменшується на величину Du1.2.
Однак/>. Напруга на виході другогоінтегратора, хоча і про-довжує збільшуватися, але з меншою швидкістю, ніж упопередньому періоді. Збільшення напруги u2 приводить до подальшогозменшення тривалості імпульсу затримки ІЗ, у результаті чого селекторніімпульси в момент часу t3 виявляються так розташованими щодоехоімпульса, що межа їх розділу поділяє ехоімпульс навпіл. У результаті цього тривалостіімпульсів збігів ІЗ1 і ІЗ2 виявляються рівними, а збільшення напруги на виходіпершого інтегратора дорівнює нулю. Отже, збільшення напруги на виході другогоінтегратора припиняється, також припиняється зміна тривалості імпульсу затримкиІЗ і в системі встановлюється стан рівноваги. Величина напруги u2пропорційна дальності до цілі, а величина напруги u1 на виходіпершого інтегратора пропорційна швидкості цілі, якщо вона рухається.
Удинаміці селекторні імпульси безупинно супроводжують ехоімпульс.
Підчас руху цілі з постійною швидкістю в системі з двома інтеграторами ( застатизмом другого порядку) помилка у визначенні швидкості і помилка у визначеннідальності ціль дорівнюють нулю. Але, якщо ціль рухається з прискоренням,з'являється помилка, пропорційна прискоренню. Для покращення якості перехіднихпроцесів між інтеграторами включається корегуюче коло КК (форсуюча ланка). Уряді випадків для поліпшення завадостійкості включається також фільтр нижніхчастот (інерційна ланка).
Захопленняцілі на початку роботи автоселектора виробляється або вручну оператором, щоспостерігає оцінку цілі на екрані ЕЛПТ, або спеціальним автоматичним пристроємпошуку і захоплення цілі.
Узв'язку з імпульсним характером сигналу інформація про неузгодженість Dt ( середини ехосигналу щодостику селекторних імпульсів) утвориться в автоселекторі в дискретні моментичасу, що відстоять один від одного на період повторення зондувальних імпульсів.Тому, часовий автоселектор є дискретною (імпульсною) системою радіоавтоматики.Однак, якщо частота повторення зондувальних імпульсів велика в порівнянні звищою частотою смуги пропущення автоселектора, що часто практикуєься, то можнавважати автоселектор безупинною системою. У такому припущенні побудуємоструктурну схему автоселектора.
Часованеузгодженість Dt дорівнює: Dt=tc -tси.
Привисокій частоті повторення зондувальних імпульсів пульсації вихідної напругичасового дискримінатора, обумовлені імпульсним характером сигналу, ефективнозгладжуються. У цьому випадку при аналізі автоселектора можна розглядативихідну напругу дискримінатора, усереднену за період повторення імпульсів:
/>
де F(Dt) і x(/> ,Dt) – відповідно математичне чекання і флуктуаційна складовавихідної напруги дискримінатора.
Формадискримінаційної характеристики F(Dt) іпараметри напруги x(t,Dt) залежать від співвідношення сигнал/шум, ширинисмуги пропущення радіотракта, тривалості селекторних імпульсів і наявностіамплітудних флуктуацій сигналу.
Перетворення напруги, що виконується пристроєм, що згладжує, визначаєтьсялінійним диференціальним оператором, />, що враховуєкількість інтегруючих ланок у складі автоселектора:
/>
Звичайнозалежність величини затримки в схемі ПРЧЗ від керуючої напруги є безінерційною.Якщо вона, крім того, лінійна, то виконується співвідношення />, де SРЕГ –крутість характеристики ПРЧЗ; tСИ0 – значення затримки за відсутностікеруючої напруги. Величина tСИ0 може мати деяку нестабільність, якунеобхідно враховувати при аналізі селектора.
Наведенимспіввідношенням відповідає структурна схема на рис. 5.
/>
Рисунок5 – Структурна схема слідкувальної системи
3 Системи автоматичного визначення напрямку на джерело радіохвиль(кутомірні слідкувальні системи, системи АСН)
Укутомірних слідкувальних системах, призначених для супроводу однієї цілі,звичайно використовується рівносигнальний метод пеленгування, при якому задопомогою антенної системи (А) формується рівносигнальна зона (РСЗ).Пеленгаційний пристрій (ПП) (рис. 6), що складається з антенної системи,радіоприймального тракту (РПТ) і вихідних каскадів (ВК), вимірює просторовунеузгодженість j між віссю РСЗ zА і напрямком на ціль Ц, а виконавчий пристрійВП змінює кутове положення вісі РСЗ так, щоб усунути наявну неузгодженість.
/>
Рисунок6 – Структурна схема пеленгаційного пристрою
Побудовапеленгаційного пристрою залежить від прийнятого способу формуваннярівносигнальної зони. У пеленгаційних пристроях з послідовним порівняннямсигналів застосовується один приймач і одна антена. Діаграма спрямованостіантени переміщається в просторі (сканує) з періодом ТСК. Виміркутової неузгодженості виконується порівнянням огинаючої радіосигналу, щоперіодично змінюється з опорною синусоїдною напругою, синхронізованою ісинфазированою з обертанням діаграми спрямованості. Час виміру порівнянний із ТСК.Прикладом автокутоміру такого типу є система з конічним скануванням діаграмиспрямованості.
Недолікомсистем з послідовним порівнянням сигналів є їхня чутливість до змін рівнясигналу, що здійснюється протягом періоду сканування і не відпрацьовується системоюАРП.
Зазначенізміни, спричиняються флуктуаціями амплітуди ехосигналу і дією активних перешкодз амплітудною модуляцією, близькою по частоті до частоти сканування, знижуютьточність пеленгування. Цього недоліку позбавлені значною мірою системи зодночасним порівнянням сигналів, тому вони одержали найширше поширення.
Упеленгаційних системах з одночасним порівнянням сигналів, які називаються такожмоноімпульсними, використовується антенна система, що формує чотири окремі(парціальні) діаграми спрямованості, і багатоканальний приймач. Кутованеузгодженість визначається в результаті зіставлення одночасно прийнятихсигналів. Час виміру порівнянний з часом обробки сигналів у прийомному тракті,тобто досить мало. У моноімпульсних автопеленгаторах використовуютьсяамплітудний, фазовий і амплітудно-фазовий методи пеленгування цілі.
Розглянемоспрощену схему амплітудного сумарно-різницевого пеленгатора, що застосовуєтьсядо пеленгації в одній площині (рис. 8) У результаті підсумовування і відніманняпарціальних uП1(t) і uП2(t) на виході антенно-хвилєводноготракту утворяться сумарний uS(t) і різницевий uD(t) сигнали. Залежністьсумарної напруги uS(t) від кутового відхилення джерела сигналу визначаєтьсясумарною діаграмою спрямованості, що виражається через парціальні діаграмиспрямованості співвідношенням
/>
Аналогічнозалежність різницевої напруги uD(t) визначається різницевою діаграмоюспрямованості.
/>
/>Рисунок 7 – Спрощенаструктурна схема амплітудного сумарно-різницевого пеленгатора
Нарис. 7 " + " — суматор сигналів; " — " – обчислювачсигналів; ЗМ – змішувачі; Г – гетеродин; ППЧ – підсилювачі проміжної частоти;АРП – блок автоматичного регулювання посилення;АФД – амплітудно-фазовий детектор; " 1 " і " 2 "– випромінювачі антени; ZA рівносигнальний напрямок антени.
Формасумарної і різницевої діаграм спрямованості показана на рис. 8 суцільнимилініями. Пунктиром зображені парціальні діаграми спрямованості в одній ізплощин.
Призміні знака різницевої діаграми спрямованості фаза різницевої напругизмінюється на 180°.
/>
Рисунок8 – Діаграми спрямованості
Сформованіна виході антенно-хвилєводного тракту сумарна і різницева напруга uS(t) і uD(t) надходять у відповідніканали приймального пристрою, де перетворюються по частоті, підсилюються іподаються на амплітудно-фазовий детектор.
Яквидно, різницева діаграма має дискримінаційні властивості по куту. Амплітударізницевої напруги при малих кутах неузгодженості пропорційна величині кутовоговідхилення, а полярність (фаза) визначається знаком цього відхилення. Тому врезультаті перемножування із сумарним в АФД на його виході з'являється постійнанапруга, що залежить від величини і знака кутової неузгодженості.
Неідентичністьфазових і амплітудних характеристик сумарного і різницевого каналів не викликаєв пеленгаторі сумарно-різницевого типу зсуву нуля пеленгаційної характеристики.У зв'язку з цим вимоги до ідентичності і стабільності приймальних каналівзнижуються.
ЗастосуванняАРП, що працює по вихідній напрузі ППЧ сумарного каналу, дозволяє послабитивплив змін амплітуди сигналу на характеристики пеленгатора.
Уразі відсутності перешкод і ідеальній роботі АРП пеленгаційна характеристика незалежить від амплітуди сигналів і пропорційна відношенню /> різницевої і сумарноїдіаграм спрямованості.
Післязгладжування і посилення по потужності вихідна напруга АФД як керуючапідводиться до виконавчого пристрою, що переміщає дзеркало антени.
Структурнасхема азимутального каналу кутомірної системи (рис. 9) містить блоки зпередатними функціями WПУ(s) і WИУ(s) пеленгаційного івиконавчого пристроїв відповідно. Сигнал неузгодженості j є різниця, j=qЦ –– qZ, де qц – напрямок на ціль, qz — напрямок осі Z.Збурювання n(t) є випадковим впливом, обумовлений внутрішнім шумомрадіоприймача, перелічене до кутового відхилення.
/>
Рисунок9 – Структурна схема кутомірної системи
4. Системи автоматичного регулювання посилення (АРП)
ПризначенняАРП – стиск динамічного діапазону вхідного сигналу (сягаючого значень 80 – 100дб) до 3 – 5 дб на виході додетекторного тракту радіоприймача. Це необхідно длявиключення амплітудних перекручувань, що виникають при перевантаженнірадіоприймального тракту. Зокрема, система АРП стабілізує коефіцієнт передачідискримінатора в розглянутих системах радіоавтоматики, тобто виключаєзалежність цього коефіцієнта від амплітуди радіосигналу на вході приймача. Цяоперація називається нормуванною.
Розрізняютьсистеми АРП «уперед» і «назад» (рис. 10).
Усистемі АРП «уперед» вихідна напруга нерегульованих каскадів НК післядетектування надходить через фільтр нижніх частот ФНЧ на наступні регульованікаскади РК, коефіцієнт підсилення яких змінюється відповідно до напругирегулювання (зменшується при збільшенні Uрег). Підбором залежності коефіцієнтапідсилення від Uрег домагаються стабілізації вихідної напруги радіоприймача навизначеному рівні. Це система без зворотного зв'язку з усіма властивими даномупринципу регулювання недоліками.
/>
Рисунок10 – Структурні схеми систем АРУ
Усистемі АРП «назад» вихідна напруга після посилення в нерегульованихі регульованих каскадах, детектування і наступного посилення надходить черезфільтр нижніх частот назад для регулювання коефіцієнта підсилення попередніх(регульованих) каскадів. З ростом напруги UРЕГ коефіцієнт підсиленнязменшується. Це система зі зворотним зв'язком. Особливість її полягає в тому,що ефект регулювання досягається в ній за рахунок зміни параметра – коефіцієнтапідсилення.