Исследование и разработка частотных детекторов с учетом переходных процессов

Актуальность темы

В решениях ХХУ1 съезда КПСС указывается: «Значительно повысить качество всех видов выпускаемой продукции, расширять и обновлять ассортимент изделий в соответствии с современными требованиями развития народного хозяйства и научно-технического прогресса, а также растущими потребностями населения» .

Это указание съезда полностью относится к радиоприемной аппаратуре, имеющей важное значение для народного хозяйства. Успешное решение проблемы улучшения качества радиоприемного устройства требует совершенствование его элементов.

Одним из таких элементов является частотный детектор (ЧД), который широко применяется в приемниках частотно-модулированных (ЧМ) сигналов, приемниках частотной телеграфии (ЧТ), а также в системах автоподстройки частоты (АПЧ). Показатели частотного детектора существенно влияет на параметры всего радиоприемного устройства.

В настоящее время для оценки качества работы частотного детектора используется обычно его статическая характеристика. Однако, эта характеристика не полностью определяет свойства ЧД и всего приемника. Так, в частности, статическая характеристика не дает ответа на поведение частотного детектора при быстрых изменениях частоты или амплитуды входного сигнала, когда в ЧД происходят переходные процессы.

Важным показателем частотного детектора является длительность переходных процессов в ЧД при скачке частоты на входе. Однако, эти процессы исследованы в известной литературе [например I, 7, 8, II — 18, 42 — 44] недостаточно.

Увеличение длительности переходных процессов в ЧД эквивалентно увеличению частотных искажений продетектированного сигнала. От длительности переходных процессов в ЧД зависит искажение ЧМ сигналов (см. раздел 1.2 диссертации), что необходимо учитывать при разработке приемников ЧМ сигналов и, в частности, массовых приемников УКВ ЧМ вещания.

В приемниках ЧТ и двухканальной ЧТ (ДЧТ) помимо фильтровых ЧД часто используются |j32, 54 J линейные частотные детекторы. Для улучшения качества работы приемника ЧТ и ДЧТ в целом необходимо уменьшить длительность переходных процессов в ЧД. В случае большой длительности переходных процессов в ЧД приемника ДЧТ, возможно ложное срабатывание решающего устройства приемника.

В приемниках импульсных сигналов частотные детекторы применяются в качестве дискриминаторов системы АПЧ [зб]. Для уменьшения инерционности систем АПЧ длительность переходных процессов в ЧД должна быть возможно малой.

При разработке приемников ЧМ сигналов, приемников ЧТ и систем АПЧ выбор ЧД с малой длительностью переходных процессов позволяет улучшить качество работы радиоприемной аппаратуры.

Таким образом, исследование и разработка частотных детекторов с учетом длительности переходных процессов является актуальной задачей. Решение ее позволит улучшить качественные показатели приемников УКВ ЧМ вещания, приемников ЧТ и систем АПЧ приемников импульсных сигналов.

Состояние вопроса. Разработка ЧД и их теории началась еще в тридцатые годы сначало для систем АПЧ. Большой вклад в эту область внесли В. И. Сифоров, В. Б. Пестряков, Н. И. Чистяков, В. М. Сидоров, Д.^остер, С. Силли, Д. Карсон, Т. Шрай и многие другие. Теоретическому и экспериментальному исследованию свойств ЧД посвящено много работ. Довольно полный обзор литературы по ЧД, вышедщей в свет до 1972 г., дан в работе [2].

В этой связи коротко остановимзя на работах по ЧД, в основном начиная с 1972 года.

Большое количество работ [4, 7 — 15, 42, 44, 49 и др. ] посвящено ЧД с взаимно расстроенными и со связанными контурами, получивщим широкое применение в радиотехнической аппаратуре. В работах [42 — 44] на основе [39] исследованы нелинейные искажения в ЧД с одиночным колебательным контуром, с взаимно расстроенными контурами и со связанными контурами в динамическом режиме с учетом дестабилизирующих факторов и даны рекомендации по выбору параметров контуров ЧД. В [l2 — 15, 1б] анализ динамических искажений в балансных ЧД проводился методом динамического коэффициента передачи [45].

Дробный ЧД и его варианты рассматривались во многих работах, например в [l6, 56 ]. В них проанализированы физические процессы в этом ЧД и даны рекомендации по расчету и выбору параметров дробного ЧД.

Динамические характеристики ЧД с линией задержки [ 22] исследованы в работах |j7, 26 ].

Одновременно с изучением принципа работы, анализом и определением оптимальных параметров ЧД во многих работах рассматриваются вопросы прохождения сигнала и шума через различные типы ЧД. Среди них следует подчеркнуть такие работы как Qв, 23, 24, 2т) и многие другие.

Определенное внимание уделялось в литературе также исследованию переходных процессов, возникающих в ЧД при скачкообразном изменении частоты или амплитуды входного сигнала. Эти исследования начались еще в 50-е годы. Одной из первых работ, посвященных исследованию переходных процессов, является монография С. И. Евтянова [25] в которой рассмотрен переходной процесс в ЧД с взаимно расстроенными контурами при скачке частоты на входе.

К настоящему времени исследованы переходные процессы при скачке частоты в гармоническом ОД 2 J в ЧД фильтрового типа? 2 ] и в ЧД с фазо-сдвигающей цепью [ 2 ] для случая, когда входящий в его состав фазовый детектор работает в режиме ограничения.

Переходной процесс в ЧД со связанными контурами при скачке частоты на входе рассмотрен в работах [2, 49]. Однако, в этих работах отсутствуют конечные выражения, которые позволяют определить время установления выходного напряжения ЧД при скачке частоты входного сигнала.

В [il, 58] исследованы переходные процессы в ЧД с взаимно расстроенными и со связанными контурами при включении на входе ЧД гармонического напряжения. В работах [^2, 36, 55] проанализированы переходные процессы и изменение характеристики ОД при действии на входе ЧД радиоимпульсов, расстроенных относительно средней частоты ЧД с взаимно расстроенными, со связанными контурами и гармонического ЧД, работающего в системах АПЧ приемников импульсных сигналов.

Переходные процессы в цифровых ЧД исследованы в — 4б]. В этих работах получены соотношения для переходных процессов в цифровых ЧД на регистре, автокорреляционного типа и на основе цифрового устройства фазовой автоподстройки.

Из изложенного следует, что в литературе не исследованы переходные процессы в ряде ЧД, например ОД с линией задержки, в ЧД с фазо-сдвигающей цепью без внутреннего ограничения, отсутствует конечное выражение для переходного процесса в ЧД со связанными контурамине проведено сравнение переходных процессов в различных ОД и не исследованы факторы, влияющие надлительность переходных процессов в ЧД. В литературе также не рассмотрены влияния структуры и формы характеристики ЧД на переходные процессы и время установления выходного напряжения, а также не определены пути уменьшения длительности переходных процессов в частотных детекторах.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование и разработка частотных детекторов с учетом длительности переходных процессов. Основными задачами, вытекающими из данной цели, являются следующие:1. Исследование переходных процессов в ЧД со связанными контурами, в частотном детекторе с фазо-сдвигающей цепью (без внутреннего ограничения) и в ЧД с линией задержки при скачкообразном изменении частоты или амплитуды входного напряжения.

2. Анализ влияния структуры и формы характеристики ЧД на переходные процессы и время установления выходного напряженияЧД.

3. Разработка методов уменьшения длительности переходных процессов в частотных детекторах.

4. Исследование и разработка импульсных ЧД с корректирующим каскадом.

Для решения этих задач использованы математический аппарат, позволяющий исследовать процессы установления в линейных четырехполюсниках, и, в частности, метод, предложенный С. И. Евтяновым, а также способы моделирования и расчетов на ЭВМ. При определении функции установления напряжения на выходе линейной системы частотных детекторов использованы методы дифференциального, интегрального и операционного исчисления.

Основными научными положениями, выносимыми на защиту, являются:

Основные результаты диссертационной работы освещены в следую-их работах автора? 9,10,40,41 ] .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основными результатами проведенного в диссертации исследования являются:

1. Разработана методика определения функции установления выходного напряжения в частотных детекторах с частотно-амплитудным преобразованием и с частотно-фазовым преобразованием, позволяющая учесть наличие амплитудного ограничителя и общего для обоих плеч ЧД каскада, включенного между амплитудным ограничителем и линейной системой ЧД.

2. Шервые найдены функции установления напряжения на выходе следующих частотных детекторов: ЧД со связанными контурами, ЧД с фазо-сдвигающей цепью (без внутреннего ограничения) и ОД с линией задержки при скачке частоты на входе. Представлены графики кривых установления напряжения на выходе указанных ОД, рассчитанные с помощью ЭВМ при различных величинах скачка частоты, позволяющие определить характер и время установления выходного напряжения частотных детекторов.

3. Установлено, что время установления выходного напряжения в частотных детекторах зависит не только от статических характеристик частотных детекторов, но и от структуры ОД;

— при совпадении статических характеристик ОД с взаимно расстроенными и со связанными контурами функции установления выходного напряжения рассматриваемых ОД при скачке частоты на входе также практически совпадают, и времени установления выходного напряжения в этих частотных детекторах практически одинаковы;

— хотя статические характеристики ЧД с фазо-сдвигающейепьго (без внутреннего ограничения) и гармонического частотного детектора (когда в качестве линейной системы в нем используется) диночный колебательный контур) полностью совпадают, функции^{становления} выходного напряжения рассматриваемых ЧД отличаются [руг от друга. В зависимости от величины скачка частоты входного сигнала в гармоническом ЧД время установления выходного напряжения 1 1,3 — 2 раза меньше, чем в ЧД с фазо-сдвигающей цепью.

4. Показано, что время установления выходного напряжения час-ютных детекторов с взаимно расстроенными и со связанными контуI ами зависит от внеполосного участка статических характеристик Щ. Увеличение спада характеристик рассматриваемых ЧД в области больших расстроек приводит к увеличению времени установления вы-. :одного напряжения в этих ЧД.

5. Предложен (в соавторстве) частотный детектор, отличающий-я тем, что, с целью уменьшения в нем длительности переходных роцессов, при сохранении неизменным рабочего участка статичес-:ой характеристики ЧД, между амплитудным ограничителем и линейной истемой введен корректирующий каскад, коэффициент передачи кото-ого практически не зависит от частоты сигнала в пределах рабочего ¦частка статической характеристики ЧД, а вне этого рабочего участ-а возрастает с увеличением отклонения частоты сигнала от сред-:его значения.

6. Исследован переходной процесс в предложенном ЧД с коррек-ирующим каскадом, получена формула для функции установления вы-одного напряжения рассматриваемого ЧД с корректирующим каскадом ри скачке частоты на входе. Показано, что время установления анодного напряжения в предложенном ЧД в несколько (в два-три) раз еныпе, чем в существующих ЧД с взаимно расстроенными и со связан-ыми контурами.

7. Исследована работа ЧД с взаимно расстроенными и со связан-:ыми контурами и с корректирующим каскадом в импульсном режиме, .олучены формулы для импульсной детекторной характеристики указаниях выше ЧД с корректирующим каскадом.

8. Показана возможность увеличения крутизны импульсных де—екторных характеристик ЧД с взаимно расстроенными и со связаными контурами путем включения корректирующего каскада между ам-литудным ограничителем и линейной системой НЦ".

9. Получены выражения для дисперсии времени установления вы-:одного напряжения в ЧД со связанными контурами, в ЧД с взаимно ~ асстроенными контурами, в ЧД с фазо-сдвигающей цепью, в НЦ с инией задержки и в НЦ с взаимно расстроенными контурами с кор-ектирующим каскадом. Полученные выражения позволяют проводить асчет электрических допусков параметров элементов ЧД с точки зре-:ия времени установленияданы практические рекомендации по раз-аботке частотных детекторов с учетом длительности переходных роцессов.

10. Экспериментально исследованы переходные процессы в НЦ взаимно расстроенными контурами, в ЧД со связанными контурами, также в разработанном НЦ с корректирующим каскадом. Доказано, то предложенный ЧД с корректирующим каскадом обеспечивает время становления выходного напряжения в два-три раза меньшее, чем уществующие ЧД с взаимно расстроенными и со связанными контурами.

Результаты проведенного в диссертации исследования позволяют ыбирать и проектировать ЧД с малой длительностью переходного роцесса, уменьшать искажения продетектированного сигнала, об-словленные переходными процессами в ЧД, улучшить качество работы астотного детектора и приемника в целом.

Результаты диссертации будут внедряться в научно-исследоательских организациях Народной Республики Бангладеш.