Следящий фильтр-демодулятор

)Я1)ТР 1 гОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ИДЕТЕЛЬСТ Н АВТОРСКОМУ Н 1 20В.В. Лямин,Гаврюшинна Трудовогхнический иыштымский р титут 0 ГОСУДАРСТ 8 ЕКНЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКР(71) Уральский орде о Красного Знамени полите нсим. С.М. Кирова и К адиозавод(54)(57) СЛЕДЯЩИЙ ФИЛЬТР-ДЕМОДУЛЯТОР,содержащий последовательно соединенные реверсивный счетчик и цифро-аналоговый преобразователь, последова. -тельно соединенные первый фильтрнижних частот, управляемый генератор,выход которого является выходом. следящего Фильтра-демодулятора. Фазовый Ш Н 03 Н 21/00 Н 03 0 3/О детектор и второй фильтр нижних частот, а также коммутатор, при этомдругой вход фазового детектора является входом следящего фильтра-демодулятора, о т л и ч а ю щ ий с я тем,что, с целью повышения помехоустойчивости, быстродействия и чувствительности, в него введены управляемыйФазовращатель, сумматор и фильтр промежуточной частоты, включенный междувыходом коммутатора и входом реверсивного счетчика, выход цифро-аналогового преобразователя подключен кпервому входу сумматора, второй входкоторого соединен с выходом коммутатора, а выход сумматора подключен квходу первого Фильтра нижних частот,выход второго фильтра нижних частотсоединен с входами коммутатора и управляемого фазовращателя, выход которого подключен к управляющему входукоммутатора, а управляющий вход упраляемого Фазовращателя подключен квыходу цифро-аналогового преобразователя.Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в различных радиотехнических устройствах, в частности в устройствах синхронизации частоты и фазы, 5Известен следящий фильтр-демодулятор с использованием системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с улуч" шенными динамическими характеристиками, такими как большая полоса за- О 1хвата и малое время вхождения в синхронизм при узкой полосе пропускания. Улучшение динамических характеристик ФАПЧ производится за счет линеаризации характеристики фазового детектора до 15 размеров линейного участка, превышающ 360 1 З.Недостатки данного устройства обусловлены некачественной в составе всей системы работой первичного фа зового детектора, который должен производить первичную нелинейную обработку входного сигнала на основе идеальной пилообразной характеристики. 25Наиболее близким техническим решением к предложенному по техническои сущности является следящий фильтр- демодулятор, содержащий последовательно соединенные реверсивный счет 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 пер ного 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 2 . 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 нелинейной55 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 выделения разностной частоты, реверсивный счетчик и цифро-аналоговый преобразователь образуют эквивалентный второй фазовый детектор, выходное напряжение которого изменяется дискретно, пропорционально фазовой ошибке 360 оп (й = 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:ф ггде Г 1 - частота сигнала;Г 2 - частота УГ.Так как Й = 1/Т, а Г 2 = 1/(Т+ ), то из (1) можно получить для минимальной разностной частоты: здесь Г 1/7; максимальная частота триггеров. Йапример, для Г =1095358 4ия 510фиг.2 - диаграммы, поясняющие его 310 кГц, Е, = 10 мГц (микросхемы 155 серии), дйЭ 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 15 помехоустойчивости всего устройства. Значительному расширению полосы удержания первой петли могут препятствовать технические ограничения на величину элементов первого ФНЧ при щ увеличении его постоянной времени. Кроме того, повышение порядка нелинейной системы ФАПЧ приводит к увеличению времени переходных процессов, т.е. времени вхождения в синхронизм. 25Наличие двух фазовых детекторов приводит к увеличению необходимой номинальной входной мощности сигнала, понижению, чувствительности, что может оказать существенное влияние, ЗО например, в диапазоне СВЧ, где возникают определенные трудности при создании мощных и экономичных широкополосных усилителей. Цель изобретения - повышение поме 5 хоустойчивости, быстродействие и чув. ствительности.Цель достигается тем, что в следящий фильтр-демодулятор, содержащий последовательно соединенные реверсивный счетчик и цифро-аналоговый преобразователь, последовательно соеди-. ненные 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, вве 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 фильтранижних частот, выход второгО фильтранижних 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 структурнаяэлектрическая схема предложенногоследящего 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: где Я- начальная частотная расст-.ройка;й - полоса удержания;9 - операция свертки;(Т 1 - импульсная характеристикаФНЧ 6 в обратной связи;Е(Ч 1 - характеристика фазовогодетектора (ФД) 8.В данном случае линеаризуется ха,рактеристика Р И) 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 характеристикуможно получить в векторных ФД), пос"ле ФНЧ 9 имеется квазигармоническоенапряжение с переменным периодом(кривая 14, фиг.2) . Такая форма на. пряжения будет как в режиме захвата,так и в режиме слежения, например,за частотно"модулированной несущей,если при этом мгновенная фазоваяоошибка значительно превышает 360.С выхода ФНЧ 9 напряжение поступаетна коммутатор 1 и управляемый фазовращатель 10, в составе которогоимеется биполярный усилитель-ограничитель. Он осуществляет широкополосный сдвиг напряжения на 90 О При этом 5установление "опережения" или "отставания" по фазе относительно входногонапряжения производится с помощьюуправляющего входа. Приведенная нафиг.2 кривая 15 "опережает" исходную 1 Она 90 Режим "опережения" или "отставания" не имеет принципиального значения, так как для устойчивой замкнутой системы, описываемой уравнением(3), Йеобходимо, чтобы обратная 15связь имела отрицательный характер,т,е. произведение коэффициентов передач отдельных звеньев, входящихв замкнутую систему, было бы положительным. Изображенные на фиг.2 кривые 20соответствуют положительной начальной расстройке, при этом в коммутаторе 1 реализуется алгоритмВЫх,кпм бх ( ) УфВР ( )(4)где О (С - напряжение на выходевых.комкоммутатора 1;Ов(Ц - напряжение входногосигнала;ОуфВр(1 напряжение на выходе 30управляемого фазовращателя,так,что произведение 5 ф К коммутатора)О, где 5 ФД - крутизна характеристики ФД, К - коэффициент передачи, не- З 5смотря на наличие участков с отрицательной крутизной в характеристикеФД 8Выходное напряжение коммутатора 1 имеет вид кривой 16 (фиг.2), Фронт 40 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 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 2 ГIЙ (ы - 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 Ф сброс (на фиг.2 показан случай нулевой частотной расстройки). Выделенный, например, с помощью дифференцирующей цепи импульс (кривая 21, фиг.2) переключения "опережение-отставание 11 значительно превышает остальные импульсы, так какдЦ,/дОпдп=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 фильтра- демодулятора, 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 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.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"белым" шумом. При этом вследствие релеевского закона плотности вероятностей амплитуд существует вероятность близких к нулю амплитуд (эта вероятность увеличивается с уменьшеднием отношения сигнал/шум). В известных аналогах с формированием напряжений в фазовой квадратуре на несущей частоте выходное напряжение коммутатора 1 формируется как ь,х м (с): А(1 з 1 о х (151 Я.пА(с с 0 х(Чф 4,где АИ) - амплитуда смеси;хИ) - фазовая ошибка в системеФАПЧ;д - постоянное смещение, обусловленное неточностью установки нулевого уровнясрабатывания Функционального узла, ФормирующегоФункцию зц,п (-), напримеркомпаратора или триггераШмитта.Как следует из выражения (5), нули 5 функции з 1 дпА. соз х (г) +д, в которых происходит переключение коммутатора 1 и постоянное формирование отрицательной обратной связи следящей петли, определяются также соотЗО ношением величин АИ) и Ь . 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-З 5 ния. Таким образом, устройствам с алгоритмом (5) свойственно нарушение нормальной работы, что прежде отражается на ухудшении помехоустойчивости,В предлагаемом следящем фильтре :демодуляторе же сдвинутое напряжение Формируется как О х) оо о сох(дцххохх х(дд)+О), (ь 1УфвР ЮсдХ45 При этом минимальным значениям А(1) соответствует максимальное значение сояА агс зп х(й)3, х(С) Ф Ф О, и так как ЬМ , то нули знакодой функции уже не зависят от сост ношения А(С) и Ь . Количественно этот вынгрыш в можно оценить, определив соответствующие условные вероятности,55ох( ), дад/доад) дю(дйоох)дд,р (во)2 оо Т. 8где В(А/90 ),Р/(А/180 ) - условные плотности вероятности соответственно для Фазовых ошибок 90 и 180Например, для р = 7 согласно (7) в = 3 ( р - 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 дд. 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) совА(с) агсзп х(С)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 -Офд до +Офд щ. При этом фильтруются как помехи, спектр которых расположен в более низкочастотной области (в области возможных начальных частотных расстроек), так и паразит" ные импульсы, возникающие при коммутации цепей внутри коммутатора 1 и управляемого Фазовращателя 10. Послед ние вызваны несимметрией парафазныхструктур этих устройств и их спектрынаходятся выше спектров перепадов. Таким образом, с помощью ФПЧ 2 устраняется ложный запуск реверсивногосчетчика 3, т.е. увеличивается поме.С помощью сумматора 5 улучшается работа следящего устройства, в кото" ром в качестве УГ 7 применяется генератор с варикапом, имеющим нелинейную характеристику управителя частоты. В предложенном следящем фильтре- демодуляторе после сумматора 5 формируется непрерывное напряжение управления частотой УГ 7 (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 Ь в этом случае для приращения Фазовой ошибки на 360 соответственно дляа1095358 17 фд фи Составитель А. Меньшиковаедактор М. Дылын Техред т Дубинчак Коррект ов каз 3620/40 о 130 5ПП "Патент"; г. Ужгород, ул. Проектная, 4 или Тираж 862 ИИПИ Государстве по делам изобре 5, Москва, Ж, Подпиного комитета СССРений и открытийРаушская наб., д. 4