Автореферат выпускной работы магистра
на тему «Исследование и разработка технических средств лабораторной работы для изучения характеристик и свойств систем ФАПЧ в курсе теории электрической связи»
Автор: А.Ю. Ракитина, магистрант
Донецкий национальный технический университет
Руководитель: А.Г. Воронцов, профессор, д.т.н
Донецкий национальный технический университет
e-mail: vag@fcita.dn.ua
Исследование и разработка технических средств лабораторной работы для изучения характеристик и свойств систем ФАПЧ в курсе теории электрической связи
Введение
На сегодня системы ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты) находят широкое применение в технике связи. Так, фирма Analog Devices использует систему ФАПЧ: как частотный модулятор, совмещенный с синтезатором частот, и частотный демодулятор, совмещенный с преобразователем частоты, в микросхеме приемника-передатчика AD6411 системы DECT; как квадратурный модулятор в микросхеме приемника-передатчика AD6523, который применяется вместе с синтезатором AD6524 (также на базе ФАПЧ), в системах GSM; как источник опорной частоты для демодулятора в микросхеме приемника-передатчика AD6432 системы GSM. Фирма Texas Instruments использует систему ФАПЧ: для синтеза сигналов опорной частоты для модуляторов в микросхемах TRF3040 и TRF3520; для умножения тактовой частоты в цифровых сигнальных процессорах TMS320C54x, TMS320C62x, TMS320C67x и TMS320VC33. Фирма Motorola использует систему ФАПЧ в синтезаторах частот, предназначенных для аппаратуры радиосвязи различных систем. Фирма Gran-Jansen AS использует систему ФАПЧ в приемнике-передатчике GJRF400 (GJRF10) для синтеза опорного колебания и для аналоговой частотной модуляции.
Но в учебном плане специальности ТКС (телекоммуникационные системы и сети) этому вопросу уделяется очень мало времени (особенно это касается лабораторных занятий).
Таким образом, целью моей работы является повышение эффективности подготовки специалистов в области телекоммуникаций за счет создания лабораторного макета системы ФАПЧ для изучения ее характеристик и свойств.
Задачи работы: обоснование и выбор структурной и принципиальной схем макета системы ФАПЧ для проведения лабораторных исследований, определение характеристик для исследований, проведение исследований, получение результатов, формулирование выводов и рекомендаций.
1. Общие сведения о системе ФАПЧ
Система ФАПЧ является системой автоматического регулирования, частота настройки которой определяется частотой управляющего сигнала, а сигналом рассогласования является разница фаз управляющего сигнала и сигнала обратной связи.
Система ФАПЧ может быть аналоговой, импульсной, цифровой или, как правило, комбинированной. В аналоговой системе ФАПЧ действует непрерывный сигнал, который характеризуется мгновенными значениями параметров в каждый момент времени. В импульсной системе параметры сигнала характеризуются дискретными значениями, которые могут быть мгновенными или интервальными. Импульсным сигналом с мгновенными отсчетами является, например, прямоугольный сигнал типа «меандр» ГУН (генератора, управляемого напряжением). Импульсным с интервальными отсчетами является, например, сигнал импульсного ФД (фазового детектора), длительность импульсов которого определяется измеряемым фазовым интервалом. В цифровой системе ФАПЧ используется, соответственно, цифровой сигнал, представляющий собой дискретный поток данных, определяемых значениями квантованных отсчетов аналогового сигнала и выражаемых цифровым кодом.
2. Выбор концепции построения системы
Существуют разные модификации систем ФАПЧ: однопетлевые и многопетлевые, с простым и комбинированным управлением. Это связано с их применением.
Отметим, что простейшая система фазовой автоподстройки частоты состоит из фазового детектора, фильтра нижних частот, и генератора, управляемого напряжением.
Однако использование простейшей системы ФАПЧ усложняет создание высокоточных систем. Например, при приеме ФМ и ЧМ сигналов (сигналов фазовой и частотной модуляции) с восстановлением несущей, в системах синхронизации, в системах восстановления спектра речевых сигналов нужно возобновлять синусоидальный эталонный сигнал без ошибок не только по частоте, но и по фазе. Поэтому для создания систем ФАПЧ с повышенной фазовой точностью необходимо использовать дополнительные элементы: буферные усилители (для препятствия прямого прохождения побочных колебаний из входа системы, повышения амплитуды напряжений на входах ФД) и др. При применении систем ФАПЧ в синтезаторах частот в качестве основных элементов используются делители и умножители частоты, преобразователи частоты и различного рода фильтры.
В учебных целях для проведения лабораторных исследований есть смысл использовать простейшую систему ФАПЧ (см. рис. 2.1): она не громоздка и при этом достаточно наглядно отображает основные режимы работы системы ФАПЧ.
Рисунок 2.1 – Структурная схема простейшей системы ФАПЧ
ФД сравнивает частоты двух сигналов (входного сигнала системы и выходного сигнала ГУН) и генерирует сигнал, который является мерой их фазового рассогласования. При неравных частотах сигналов, которые поступают на входы фазового детектора, сигнал на выходе фазового детектора после фильтрации влияет на ГУН таким образом, что выходная частота ГУН fгун приближается к входной частоте fвх.
Выход ГУН формирует сигнал с частотой, которая приближается к частоте входного сигнала системы ФАПЧ.
ФНЧ предназначен для подавления шумовых и быстроизменяющихся компонент сигнала с выхода фазового детектора.
Отметим, что для систем фазовой автоподстройки частоты характерны следующие режимы работы: режим биений; режим захвата; режим слежения и режим срыва.
Для режима биений характерна значительная несогласованность частот сигналов эталонного генератора и генератора, управляемого напряжением. Данный режим является длительным.
Переходным состоянием системы, при котором режим биений со временем переходит в режим слежения, является процесс захвата, который происходит таким образом: при приближении частоты сигнала с выхода ГУН к частоте опорного сигнала форма сигнала расогласования меняется более медленно, в результате чего ненулевое постоянное напряжение на выходе ФД вводит систему ФАПЧ в режим захвата.
Режим слежения характеризуется равенством частот сигналов опорного генератора и генератора, управляемого напряжением. Данный режим работы системы ФАПЧ связан с понятием полосы удержания. Ширина полосы удержания определяется разницей предельных значений частоты сигнала с выхода ГУН, что соответствует наибольшему и наименьшему напряжениям на выходе фазового детектора.
Режим срыва системы ФАПЧ может наступить, когда частота опорного сигнала быстро изменяется (и таким образом система не в состоянии отследить это изменение) или частота опорного сигнала вышла за предельное значение частоты сигнала ГУН. Данный режим является кратковременным.
3. Разработка принципиальной схемы системы
За основу схемы (см. рис. 2.1) макета системы ФАПЧ взята ИМС (интегральная микросхема) 4046. Данный выбор объясняется тем, что функциональные узлы этой микросхемы реализуют все модули простейшей системы ФАПЧ и позволяют достаточно просто построить на ее основе законченную систему в соответствии с рис. 2.1. Так, в состав ИМС 4046 входят: ГУН с частотозадающими элементами, формирователь входного сигнала, три вида фазовых детекторов (что дает возможность расширить спектр исследований по изучению систем фазовой автоподстройки частоты).
Рисунок 3.1 – Принципиальная схема системи ФАПЧ
Для реализации макета необходимо определиться с параметрами элементов обвязки системы ФАПЧ. Согласно [2] и [3] были рассчитаны теоретические значения параметров элементов схемы: R1=10кОм, R2=18кОм, C1=150пФ, Сf=430пФ, Rf=160Ом.
4. Отладка лабораторного макета системы ФАПЧ
Как уже упоминалось, в состав ИМС 4046 входят три вида фазовых детекторов. Они обозначаются: «РС I» – это «XOR»; «РС II» – это фазовый детектор, который работает по фронтам и имеет высокоимпедансное состояние; «РС III» – это фазовый детектор, который работает по фронтам.
В зависимости от того, какой фазовый детектор будет использоваться в системе, необходимо произвести определенную отладку макета системы фазовой автоподстройки частоты (согласно [3]).
Так, при использовании в качестве фазового детектора РС I частотозадающие элементы ГУН необходимо подстраивать под центральную рабочую частоту. Для удобства отладка ГУН производилась, изменяя только значение емкости C1. При использовании данного ФД в результате отладки макета системы ФАПЧ значение емкости C1 составило 380пФ.
При использовании в системе фазовых детекторов РС II или РС III частотозадающие элементы ГУН необходимо отладить, исходя из нижнего предела рабочего диапазона частот. В этом случае значение емкости C1 составляет 270пФ.
Выводы
Таким образом, был реализован лабораторный макет для изучения характеристик и свойств систем ФАПЧ в курсе теории электрической связи. Последующая работа будет направлена на определение конкретных характеристик для исследований, проведение лабораторных исследований и измерение явление джиттера в системе, то есть фазовой (или частотной) нестабильности исходного сигнала (см. рис. ниже).
Рисунок – Явление джиттера (анимация, 5 кадров, смена кадров каждые 0.5 сек., размер 10 Кб)
Литература
- Методические указания к проведению лабораторной работы 3 Массачусетского технического института, 2002.
- Методические указания к проведению лабораторной работы 4 Массачусетского технического института, 2002.
- Документация к ИМС 4046 – Data Sheet 74HC/HCT4046A.