Автореферат випускної роботи магістра
на тему «Дослідження й розробка технічних засобів лабораторної роботи для вивчення характеристик і властивостей систем ФАПЧ у курсі теорії електричного зв'язку»
Автор: А.Ю. Ракітіна, магістрант
Донецький національний технічний університет
Керівник: О.Г. Воронцов, професор, д.т.н
Донецький національний технічний університет
e-mail: vag@fcita.dn.ua
Дослідження й розробка технічних засобів лабораторної роботи для вивчення характеристик і властивостей систем ФАПЧ у курсі теорії електричного зв'язку
Вступ
На сьогодні системи ФАПЧ (фазового автопідстроювання частоти) знаходять широке застосування в техніці зв'язку. Так, фірма Analog Devices використовує систему ФАПЧ: як частотний модулятор, сполучений із синтезатором частот, і частотний демодулятор, сполучений із перетворювачем частоти, у мікросхемі приймача-передавача AD6411 системи DECT; як квадратурний модулятор у мікросхемі приймача-передавача AD6523, що застосовується разом із синтезатором AD6524 (також на базі ФАПЧ), у системах GSM; як джерело опорної частоти для демодулятора в мікросхемі приймача-передавача AD6432 системи GSM. Фірма Texas Instruments використовує систему ФАПЧ: для синтезу сигналів опорної частоти для модуляторів у мікросхемах TRF3040 й TRF3520; для помноження тактової частоти в цифрових сигнальних процесорах TMS320C54x, TMS320C62x, TMS320C67x й TMS320VC33. Фірма Motorola використовує систему ФАПЧ у синтезаторах частот, призначених для апаратур радіозв'язку різних систем. Фірма Gran-Jansen AS використовує систему ФАПЧ у приймачі-передавачі GJRF400 (GJRF10) для синтезу опорного коливання й для аналогової частотної модуляції.
Але в учбовому плані спеціальності ТКС (телекомунікаційні системи та мережі) цьому питанню віддають дуже мало часу (особливо це стосується лабораторних занять).
Таким чином, метою моєї роботи є підвищення ефективності підготовки фахівців в області телекомунікацій за рахунок створення лабораторного макета системи ФАПЧ для вивчення її характеристик і властивостей.
Задачі роботи: обґрунтування й вибір структурної та принципової схем макета системи ФАПЧ для проведення лабораторних досліджень, визначення характеристик для досліджень, проведення лабораторних досліджень, отримання результатів, формування висновків і рекомендацій.
1. Загальні відомості про систему ФАПЧ
Система ФАПЧ є системою автоматичного регулювання, частота настроювання якої визначається частотою керуючого сигналу, а сигналом неузгодженості є різниця фаз керуючого сигналу й сигналу зворотного зв'язку.
Система ФАПЧ може бути аналоговою, імпульсною, цифровою або, як правило, комбінованою. В аналоговій системі ФАПЧ діє безперервний сигнал, що характеризується миттєвими значеннями параметрів у кожний момент часу. В імпульсній системі параметри сигналу характеризуються дискретними значеннями, які можуть бути миттєвими або інтервальними. Імпульсним сигналом з миттєвими відліками є, наприклад, прямокутний сигнал типу «меандр» ГКН (генератора, що керується напругою). Імпульсним з інтервальними відліками є, наприклад, сигнал імпульсного ФД (фазового детектора), тривалість імпульсів якого визначається вимірюваним фазовим інтервалом. У цифровій системі ФАПЧ використовується, відповідно, цифровий сигнал, що являє собою дискретний потік даних, які визначаються значеннями квантованих відліків аналогового сигналу й виражаються цифровим кодом.
2. Вибір концепції побудови системи
Існують різні модифікації систем ФАПЧ: однопетльові й багатопетльові, із простим і комбінованим керуванням. Це пов'язане з їхнім застосуванням.
Відзначимо, що найпростіша система фазового автопідстроювання частоти складається з фазового детектора, фільтра нижніх частот, і генератора, що керується напругою.
Однак використання типової системи ФАПЧ робить важким створення високоточних систем. Наприклад, при прийомі ФМ і ЧМ сигналів (сигналів фазової та частотної модуляції) з відновленням несучої, у системі синхронного віщання, у системах відновлення спектра сигналів потрібно відновлювати синусоїдальний еталонний сигнал без помилок не тільки по частоті, але й по фазі. Тому для створення систем ФАПЧ із підвищеною фазовою точністю необхідно використати додаткові елементи: буферні підсилювачі (для перешкоджання прямого проходження побічних коливань із входу системи, підвищення амплітуди напруг на входах ФД), балансові модулятори та ін. При застосуванні систем ФАПЧ у синтезаторах частот як основні елементи використовуються подільники й помножувачі частоти, перетворювачі частоти й різного роду фільтри.
Але у навчальних цілях для проведення лабораторних досліджень є сенс використовувати найпростішу систему ФАПЧ (див. рис. 2.1): вона не громіздка й при цьому досить наочно відображає основні режими роботи системи ФАПЧ.
Рисунок 2.1 – Структурна схема найпростішої системи ФАПЧ
ФД порівнює частоти двох сигналів (вхідного сигналу системи й вихідного сигналу ГКН) і генерує сигнал, що є мірою їхньої фазової неузгодженості. При нерівних частотах сигналів, що надходять на входи фазового детектора, вихідний сигнал фазового детектора після фільтрації впливає на ГКН таким чином, що вихідна частота ГКН fгкн наближається до вхідної частоти fвх.
Вихід ГКН формує сигнал із частотою, що наближається до частоти вхідного сигналу системи ФАПЧ.
ФНЧ призначений для придушення шумових компонентів і тих компонентів, що швидко змінюються, сигналу, який надходить із виходу фазового детектора.
Відзначимо, що для систем фазового автопідстроювання частоти властиві наступні режими роботи: режим биттів; режим захвату; режим спостереження й режим зриву.
Для режиму биттів характерна значна неузгодженість частот сигналів еталонного генератора й генератора, що керується напругою. Даний режим є тривалим.
Перехідним станом системи, при якому режим биттів із часом переходить у режим спостереження, є процес захвату, що відбувається в такий спосіб: при зближенні частоти сигналу з виходу ГКН із частотою опорного сигналу форма сигналу неузгодженості міняється більш повільно, у результаті чого ненульова постійна напруга на виході ФД вводить систему ФАПЧ у режим захвату.
Режим спостереження характеризується рівністю частот сигналів опорного генератора й генератора, що керується напругою. Даний режим роботи системи ФАПЧ пов'язаний з поняттям полоси втримання. Ширина полоси втримання визначається різницею граничних значень частоти сигналу з виходу ГКН, що відповідають найбільшій і найменшій напругам на виході фазового детектора.
Режим зриву системи ФАПЧ може наступити, коли частота опорного сигналу швидко змінюється (і таким чином система не в змозі відстежити цю зміну) або частота опорного сигналу вийшла за межу граничного значення частоти сигналу ГКН. Даний режим є короткочасним.
3. Розробка принципової схеми системи
За основу схеми (див. рис. 2.1) макета системи ФАПЧ взята ІМС (інтегральна мікросхема) 4046. Даний вибір пояснюється тим, що функціональні вузли цієї мікросхеми реалізують усі модулі найпростішої системи ФАПЧ і дозволяють досить просто побудувати на її основі закінчену систему відповідно до рис. 2.1. Так, до складу ІМС 4046 входять: ГКН із елементами, що задають частоти, формувач вхідного сигналу, три види фазових детекторів (що дає можливість розширити спектр досліджень по вивченню систем фазового автопідстроювання частоти).
Рисунок 3.1 – Принципова схема системи ФАПЧ
Для реалізації макета необхідно визначитися з параметрами елементів обв'язки системи ФАПЧ. Згідно [2] і [3] були розраховані теоретичні значення параметрів елементів схеми: R1=10кОм, R2=18кОм, C1=150пф, Сf=430пф, Rf=160Ом.
4. Налагодження лабораторного макета системи ФАПЧ
Як уже згадувалося, до складу ІМС 4046 входять три види фазових детекторів. Вони позначаються: «РС I» – це «XOR»; «РС II» – це фазовий детектор, який працює по фронтах і має високоімпедансний стан; «РС III» – це фазовий детектор, який працює по фронтах.
Залежно від того, який фазовий детектор буде використовуватися в системі, необхідно зробити певні налагодження макета системи фазового автопідстроювання частоти (згідно [3]).
Так, при використанні в якості фазового детектора РС I елементи ГКН, що задають частоти, необхідно підбудовувати під центральну робочу частоту. Для зручності налагодження ГКН робляться, змінюючи тільки значення ємності C1. При використанні даного фазового детектора у результаті налагодження макета системи ФАПЧ значення ємності C1 становить 380пф.
При використанні в системі фазових детекторів РС II або РС III елементи ГКН, що задають частоти, налагоджуються, виходячи з нижньої межі робочого діапазону частот. У такому випадку значення ємності C1 становить 270пф.
Висновки
Таким чином, було реалізовано лабораторний макет для вивчення характеристик і властивостей систем ФАПЧ у курсі теорії електричного зв’язку. Подальша робота буде спрямована на визначення конкретних характеристик для досліджень, проведення лабораторних досліджень і вимірювання явище джитера в системі, тобто фазової (або частотної) нестабільності вихідного сигналу (див. рис. нижче).
Рисунок – Явище джитера (анімація, 5 кадрів, зміна кадрів кожні 0.5 сек., розмір 10 Кб)
Література
- Методічні вказівки до лабораторної роботи 3 Масачусетського техничного інституту, 2002.
- Методічні вказівки до лабораторної роботи 4 Масачусетського техничного інституту, 2002.
- Документація до ІМС 4046 – Data Sheet 74HC/HCT4046A.