книги из ГПНТБ / Инженерные изыскания в строительстве. Инженерно-геологические, геофизические и геодезические исследования [сборник]

С выхода смесителя преобразованный сигнал часто­ той /г+/д подается на усилитель промежуточной часто­ ты и затем на вход балансного смесителя, куда также подается напряжение гетеродина.

Рис. 30. Спектр частот сигналов, снимаемых с вы­ хода балансного модулятора

На выходе балансного смесителя выделяется сигнал разностной комбинированной частоты (/г+/д) — f r = fn., который после усиления подается на измерительное уст­ ройство.

Врассмотренной схеме так же, как и в предыдущей, вследствие двукратного гетеродинирования частота вы­ ходного сигнала не зависит от частот передатчика и ге­ теродина, поэтому их нестабильность работы не сказы­ вается на точности измерений.

ВЧМ радиолокационных системах излученный сиг­ нал, а следовательно, и принимаемый приемником сиг­ нал подвержены широкополосной частотной модуляции. Как уже упоминалось, для эффективного приема такого сигнала необходимо осуществить следящий прием.

Еще в 40-х годах В. И. Сифоровым было доказано, что переход от амплитудной модуляции к широкополос­ ной частотной может значительно повысить помехоустой­ чивость системы. Тогда же было доказано, что при этом выигрыш в превышении сигнала над помехой по мощно­ сти пропорционален квадрату индекса модуляции, т. е. может достигать нескольких порядков.

Но широкополосной частотной модуляции присущ и серьезный недостаток. Дело в том, что выигрыш в вы­ ходном сигнале приемника реализуется лишь в том слу­ чае, если превышение сигнала над помехой на входе

70

iiepBOro нелинейного элемента приемного тракта (огра­ ничителя или детектора) больше некоторого порогового значения. Ниже этого значения помехоустойчивость ЧМ системы ухудшается и становится хуже, чем у A M си­ стемы.

Как известно, в частотно-модулированных системах при использовании в УВЧ и УПЧ обычных гармониче­ ских стационарных фильтров для неискаженного приема сигналов полоса пропускания приемника должна быть больше удвоенной девиации частоты. В то же время, чем больше полоса пропускания входного линейного тракта приемника (включая УВЧ и УПЧ),тем больше мощность помех, тем больше, следовательно, должно быть надпороговоё значение полезного сигнала.

Однако эта невыгодная зависимость порога сигнала от девиации не является особенностью широкополосного частотно-модулированного сигнала. Она связана прежде всего с несоответствием таким сигналам фильтров, используемых в обычных приемниках.

Следящие фильтры

Указанный недостаток может быть устранен, если во входном тракте приемника вместо стационарных фильтров применить нестационарные, модулированные фильтры, чтобы их собственные колебания совпадали по форме с резонансным внешним сигналом. Для этого соб­ ственные колебания фильтра должны быть также частот­ но-модулированными, причем мгновенная частота их должна изменяться синфазно с частотой поступающего на фильтр внешнего резонансного сигнала, как бы не­ прерывно следя за ее изменениями в процессе модуля­ ции. Такой фильтр получил название следящего.

Различают два типа следящих фильтров: с внешним синфазированием и с самосинфазированием. У первого типа модуляция реактивных параметров фильтра осу­ ществляется от внешнего источника; у второго типа для модуляции его реактивных параметров используется вы­ ходной сигнал самого следящего фильтра. Оба типа следящих фильтров в принципе отличаются от извест­ ных схем инерционной автоподстройки контуров на ста­ ционарную несущую частоту входного сигнала.

71

Следящий фильтр с внешним синфазированием. На рис. 31 приведен возможный вариант структурной схе­ мы ЧМ радиовысотомера, в котором передатчик моду­ лируется по частоте (по треугольному закону) с помо­ щью двигателя, вращающего ротор переменного кон­ денсатора колебательного контура. Одновременно этот же двигатель перестраивает и фильтр приемника. В дан-

. ис. 31. Простейший Ч М радиовысотомер со следящим фильтром

ном случае передатчик и приемник находятся рядом и

Радиовысотомер работает следующим образом. Пере­ датчик излучает ЧМ колебания. Небольшая часть мощ­ ности передатчика попадает в приемник. Здесь сигналы передатчика и принятые приемником отраженные от по­ верхности Земли сигналы сравниваются. Поскольку ча­ стота отраженных сигналов отличается от частоты излу­ ченных сигналов (в связи с запаздыванием отраженного сигнала), то по сдвигу частоты можно определять рас­ стояние— высоту полета объекта, на котором установ­ лен радиовысотомер. Чем больше высота, тем больше запаздывание отраженного сигнала и тем больше его

72

где /3 — время, за которое излученные радиоволны проходят расстояние от радиовысотомера до поверхности Земли и обратно;

Я—• высота полета; с — скорость света.

Особенностью схемы данного радиовысотомера яв­ ляется то, что частота передатчика и резонансная часто­ та фильтра перестраиваются синфазно, т. е. в каждый момент времени фильтр оказывается настроенным на ча­ стоту излученного сигнала.

Если высота не меняется, то оператор, имея много времени для измерений, может с помощью цепи пере­ менной задержки медленно изменять задержку модуля­ ции частоты фильтра, пока она не станет равной задерж-

ке модуляции частоты сигнала Т0= — . В этом режиме

с

фильтр в каждый момент времени настроен на частоту отраженного сигнала.

Поскольку время измерения не ограничено, то мож­ но выбирать период модуляции достаточно большим (при заданном размахе Af), чтобы колебания в фильтре могли устанавливаться при сколь угодно узкой полосе его про­ пускания. В таком режиме следящий фильтр с весьма узкой полосой пропускания обеспечивает неискаженный прием широкополосного частотно-модулированного сиг­ нала.

Таким образом, если измеряется расстояние до непо­ движной цели, то с помощью схемы со следящим филь­ тром возможно неискаженное воспроизведение отражен­ ного сигнала при сколь угодно узкой полосе пропускания приемника независимо от ширины спектра сигнала пере­ датчика. Как будет показано ниже, это свидетельствует о больших возможностях схем со следящим фильтром в области помехоустойчивости.

Следящий фильтр с самосинфазированием. Второй тип следящего фильтра рассмотрим на примере связного ЧМ приемника (рис. 32). Данная схема отличается от схемы обычного супергетеродинного приемника тем, что в ней низкочастотный сигнал с выхода частотного детек­ тора после усиления и коррекции подается на реактив­ ный модулятор, который автоматически подстраивает фильтр промежуточной частоты в резонанс с изменяю­ щейся в процессе модуляции частотой входного сигнала.

73

Следовательно, в данном случае фильтр промежуточной частоты является следящим фильтром с самосннфазированием, так как для модуляции его реактивных парамет­ ров используется сам выходной сигнал.

Y

времени для установления колебаний в следящем филь­ тре при любой частоте настройки. Поэтому полоса про­ пускания фильтра может быть сколь угодно малой.

Таким образом, следящие фильтры второго типа так­ же обладают большими возможностями в области повы­ шения помехоустойчивости и снижения уровня искаже­ ний при приеме частотно-модулированных сигналов.

Следящие фильтры эффективно могут применяться в частотно-модулированных радиолокационных системах. Но введение непосредственно в высокочастотный тракт следящего фильтра связано с некоторыми трудностями реализации высокой добротности перестраиваемого филь­ тра. Поэтому более выгодно применять схемы, имити­ рующие эффект следящего фильтра, — схемы со следя­ щим гетеродином,

74

Схема со следящим гетеродином

На рис. 33 приведена схема смесителя со следящим гетеродином. На его вход подаются два напряжения: гетеродина er(t) и частотно-модулированного сигнала ec(t). На выходе включен узкополосный гармонический фильтр с резонансной частотой соф0.

Рис. 33. Схема смесителя со следящим гетеродином

Нетрудно доказать, что для неискаженного выделения из сложного входного сигнала ЧМ составляющих необ­ ходимо, чтобы закон модуляции напряжения гетеродина был таким же, как и входного сигнала.

Если полосу пропускания фильтра считать исчезающе малой, то для прохождения через него разностных комбинационных составляющих частот необходимо, что­

Здесь правая часть равенства постоянная, а левая —

75

составляющие, выделяемые такой цепью из входного сигнала, должны быть частотно-модулированными:

входного сигнала. Обозначим закон модуляции входного

Равенство (108) удовлетворяется, если переменная составляющая его левой части в любой момент времени

Условия (109) и (ПО) являются необходимыми и до­ статочными для преобразования смесителем любого входного ЧМ сигнала в гармонический сигнал, являю­ щийся простейшим для данного фильтра. Следовательно, цепь со следящим гетеродином, как и следящий фильтр, отбирает из сложного входного сигнала не гармониче­ ские составляющие, а ЧМ составляющие, закон моду­ ляции которых синфазен с законом модуляции напря­ жения ЧМ гетеродина.

В ЧМ радиолокационных системах на вход приемни­ ка поступает ЧМ сигнал, поэтому для обеспечения приема этого сигнала при использовании схемы, изобра­ женной на рис. 33, законы модуляции частоты гетероди­ на и сигнала должны совпадать. Как следует из выра­ жения (111), несущие частоты сигнала и гетеродина могут изменяться, но при этом изменения частоты гете­ родина должны синфазно отслеживать изменения часто­ ты сигнала.

Схемы следящего приема, в которых частота вход­ ного сигнала преобразуется в частоту настройки филь­ тра с помощью перестраиваемого гетеродина, могут основываться на частотной (ЧАП) и фазовой (ФАП) автоподстройках.

Схема с частотной автоподстройкой гетеродина по­ зволяет при широкополосной частотной модуляции вход-

76

нбго сигнала Получить во много раз меньший индекс модуляции сигнала промежуточной частоты. Это дает возможность использовать в селективном усилителе про­ межуточной частоты узкополосный фильтр с постоянны­ ми параметрами и таким образом простыми средствами снизить шумовой порог схемы.

автоподстройки гетеродина. Принятый сигнал поступает на смеситель, куда также подаются колебания следя­ щего гетеродина. С выхода смесителя сигнал рассогласо­ вания поступает на фильтр усилителя промежуточной ча­ стоты, а затем после ограничения и детектирования на управляющий элемент. С выхода управляющего элемен­ та напряжение сигнала ошибки после коррекции воздей­ ствует на реактивный модулятор, который подстраивает гетеродин в соответствии с изменяющейся частотой вход­

величина которого зависит от разности фаз сигнала и гетеродина. После фильтрации от помех в фильтре ниж-

* На рис. 34—40, 42, 46—50, 52, 53, 55—57 приведены воз­ можные варианты структурных и принципиальных схем.

77

них частот управляющее напряжение поступает на уп­ равляющий элемент, который корректирует частоту управляемого генератора. Таким образом, частота управ­ ляемого генератора в каждый момент времени поддер­ живается равной частоте сигнала.

В таких системах могут использоваться три вида уп-

\Управляемыщ

шератор

Рис. 35. Структурная схема контура ФАП

равляющих элементов: электронные (реактивные лампы, вносящие в контур управляемого генератора изменяю­ щееся реактивное сопротивление, полупроводниковые конденсаторы, вариконды, ферровариометры); механиче­ ские, осуществляющие коррекцию частоты механическим изменением параметров одного или нескольких элемен­ тов контура управляемого генератора; электронно-меха­ нические, в которых сочетаются электронные п механи­ ческие управляющие элементы.

Рис. 36. Структурная схема ФАП с запаздыванием

78

Схема ФАП с запаздыванием. Схема фазовой авто­ подстройки с запаздыванием изображена на рис. 36. На смеситель поступает сигнал частотой / 0 и напряжение управляемого генератора (гетеродина) частоты fr. С вы­ хода смесителя снимается напряжение промежуточной частоты fmn=fc — h- Частота опорного генератора так­ же равна частоте настройки УПЧ. Поэтому при измене­ нии частоты входного сигнала на выходе фазового детек­ тора образуется напряжение, пропорциональное разности фаз колебаний, поступающих на него с выхода УПЧ и опорного генератора. Это напряжение после фильтрации от помех в фильтре нижних частот поступает на управ­ ляющий элемент, который изменяет частоту управляе­ мого генератора так, чтобы в каждый момент времени

имеющийся скачок фазы на входе системы поступит на фазовый детектор через промежуток времени, определя­ емый полосой пропускания УПЧ.

Основным достоинством этой схемы является ее по­ вышенная помехоустойчивость, так как УПЧ ограничи­ вает полосу шума на входе фазового детектора и, следо­ вательно, увеличивает отношение сигнал/шум на его входе по сравнению с отношением сигнал/шум на входе системы.

Цепи ФАП с электронной и механической подстрой­ кой. На рис. 37 приведена схема фазовой автоподстрой­ ки с параллельным включением электронной и механиче­ ской подстройки управляемого генератора. Здесь меха­ ническая (с помощью электродвигателя) подстройка отрабатывает статическое рассогласование, а электрон­ ная — быстрые изменения фазы и частоты.

Вследствие дополнительной механической подстройки такая цепь обладает астатизмом второго порядка. При этом статическая фазовая ошибка за счет отклонения частоты входного сигнала станет равной нулю. В такой

79