Технические науки/Электротехника и радиоэлектроника

Д.т.н., профессор Плаксиенко В.С., к.т.н., доцент Кравченко Д.А.
аспирант Сиденков А.С.

Южный федеральный университет, Таганрог, Россия

БАЛАНСНЫЕ ЧАСТОТНЫЕ ДИСКРИМИНАТОРЫ

Известно, что балансные частотные дискриминаторы обладают рядом преимуществ с точки зрения линейности операции демодуляции, чистоты спектра формируемого на выходе сигнала и помехоустойчивости [1], [2]. Частотные дискриминаторы (ЧД) могут быть построены по схеме, в которой после преобразователя частота–амплитуда следуют два амплитудных детектора и вычитающее устройство, являющееся выходом дискриминатора. В работах [1, 3] показано, что построение балансных дискриминаторов по схеме с обратными связями позволяет повысить отношение "сигнал/шум" на выходе и реализовать регулировку крутизны среднего участка дискриминационной характеристики.

В статье приведены результаты моделирования и исследования статических и статистических характеристик частотных дискриминаторов с взаимными обратными связями (ЧДВОС) в среде моделирования Microcap.

На рис. 1 приведена функциональная схема ЧДВОС,

Рис. 1. Функциональная схема ЧДВОС

где Ф1, Ф2 – фильтры; Д1, Д2 – детекторы огибающей, ВУ1-ВУ3 – вычитающие устройства; Огр1, Огр2 – ограничители минимума; РУ1, РУ2 – регулируемые усилители; ФНЧ1-ФНЧ3 – фильтры нижних частот, U_упр – напряжение, устанавливающее величину коэффициента передачи РУ – K.

Частота пересечения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фильтров при проведении моделирования равна 465 кГц. При проектировании полосовых фильтров, работающих в составе балансных ЧД, необходимо учитывать коэффициент перекрытия фильтров. Коэффициент перекрытия фильтров определяется как:

(1)

где , – функции АЧХ фильтров Ф1 и Ф2, – частота, соответствующая точке пересечения АЧХ фильтров.

Расчетное значение коэффициента перекрытия фильтров .

Вычитающие устройства и ограничители, в соответствии с принятыми на рис. 1 обозначениями, совместно реализуют зависимость коэффициента передачи, представленную на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость коэффициента передачи

Рис. 3. Дискриминационные характеристики ЧДОС

Модули, расположенные между Д1, Д2 и ВУ3 в соответствии с принятыми на рис. 1 и 2 обозначениями реализуют алгоритм вида [1]:

где K₁ = K₂ = K – коэффициенты передачи регулируемых усилителей РУ1 и РУ2 или коэффициенты взаимных обратных связей.

Крутизна среднего участка дискриминационной характеристики ДВОС [3]

,

где S –крутизна характеристики балансного ЧД.

При крутизна среднего участка увеличивается относительно S
[1, 3], а при – характеристика становится релейной.

Проведено математическое моделирование и исследование дискриминационных характеристик балансных частотных дискриминаторов, в том числе при воздействии помех, в среде моделирования Microcap. При исследовании частотных дискриминаторов с помощью временнόго анализа значениям времени на оси абсцисс сопоставляются значения частот в соответствии с задаваемой на входе девиацией частоты сформированного линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала.

На рис. 3 приведены попарно статические дискриминационные характеристики частотного ЧДВОС, полученные при воздействии только сигнала (монотонные зависимости) и статистические, полученные при воздействии смеси сигнала и шума на входе дискриминатора (зависимости с флуктуационной составляющей, обусловленной шумами) U = f(F) (U – мгновенное значение напряжения на выходе дискриминатора). При моделировании средняя частота сигнала 465 кГц, девиация частоты 15 кГц [2-4].

Характеристики иллюстрируют основные свойства ЧДВОС: влияние увеличения коэффициента обратных связей K от 0 (нижние кривые), при котором ЧДВОС является обычным балансным ЧД, до 0.5 (верхние кривые) на повышение крутизны и увеличение максимумов дискриминационных характеристик, которые уменьшаются при воздействии шумов.

Результаты моделирования качественно подтверждают возможности улучшения статистических характеристик ЧДВОС при изменении K от 0 до 1, т.е. показывают, что не только при отсутствии, но и при наличии шумов возможно повышение крутизны дискриминационной характеристики за счет увеличения глубины обратных связей К, однако выполнить точные метрологические исследования в среде Microcap затруднительно.

Для полноты анализа следует исследовать влияние степени взаимной корреляции процессов в каналах ЧДВОС на форму статистических характеристик дискриминаторов и учесть переходные процессы.

Полученные результаты позволяют судить о ряде преимуществ ЧДВОС перед структурами без обратных связей. Основное ‒ возможность увеличения крутизны дискриминационной характеристики, а также то, что линейность среднего участка характеристики выше по сравнению с дискриминационной характеристикой балансного дискриминатора, однако ширина этого участка уменьшается.

Выводы

Применение частотных ДВОС позволяет управлять формой и крутизной дискриминационной характеристики и повысить соотношение сигнал/шум на выходе. При использовании такой структуры построения схемы дискриминатора появляется возможность получать предварительно заданную форму дискриминационной характеристики.

Литература

1. Плаксиенко В. С. Уровневая статистическая обработка дискретных сигналов. М.: УМИЦ "Учебная литература", 2006. 274 с.

2. Радиоприемные устройства. Изд. 2-е / Н. Н. Буга, В. С. Плаксиенко, Н. Н. Фомин и др.; под ред. Н. Н. Фомина. М.: Радио и связь, 2003. 520 с.

3. Устройства приема и обработки сигналов: Учебное пособие для ВУЗов/В.С. Плаксиенко, Н.Е, Плаксиенко, Д.В. Плаксиенко. -2-е изд. испр.- М.: Учебно-методический и издательский центр «Учебная литература», 2004, -376 с.: ил.

4. Даниленко А.И. Плаксиенко В.С. Воздействие э.д.с. с изменяющейся частотой на устройство с двумя взамозапирающимися каналами. Изв. вузов СССР Радиоэлектроника №10, 1971 С. 1219-1226.