Функциональная схема частотно-следящего фильтра

На рис. 31 приведена функциональная схема следящего фильт­ра, который обеспечивает:

- автоматический поиск сигнала по частоте Допплера при перво­начальном включении ДИСС и в случае пропадания сигнала;

- обнаружение и захват сигнала по частоте;

- автоматическое слежение за спектром допплеровских частот сиг­нала и выдачу на выходе стандартных импульсов, частота повторе­ния которых равна средней частоте входного сигнала;

- автоматический переход в режим " Память" при уменьшении отношения сигнал-шум в полосе фильтра ниже допустимого;

- автоматическое переключение полосы прозрачности следящего фильтра в зависимости от текущего значения измеренной частоты Допплера (при F_Д £ 3 кГц - узкая полоса 0, 3 кГц, при F_Д > 3 кГц - широкая - 1 кГц).

Допплеровский полезный сигнал подобен узкополосному шуму. На вход следящего фильтра он поступает вместе с широкополосным шумом, спектр которого определяется полосой пропускания УДЧ (примерно от 0, 8 до 14 кГц). С помощью генератора опорной час­тоты f_oп и балансного смесителя низкочастотный допплеровский спектр переносится на вспомогательную частоту f_c = f_oп + F_Д (порядка нескольких сотен кГц), которая выделяется фильтром вспомогательной частоты

(ФВЧ). При этом опорный сигнал f_oп по­давляется вследствие применения балансной схемы смесителя, зеркальный - в ФВЧ.

После переноса на вспомогательную частоту сигнал подаётся на квадратурно-фазовый дискриминатор (КФД). На второй вход КФД подается колебание перестраиваемого гетеродина (ПГ) с частотой f_г. КФД выдаёт сигнал ошибки, пропорциональный разности между вспомогательной частотой сигнала f_c и частотой гете­родина

.

Частотный дискриминатор оказывает основное влияние на точность следящего измерителя частоты. Построение дискриминатора по известной схеме с двумя расстроенными относительно цент­ральной частоты контурами для ДИСС неприемлемо в связи с её нестабильностью, так как уход частоты настройки контуров при изменении температуры или других условий на частоту dF при­водит к такой же ошибке в измерении частоты Допплера. Схема КФД является более устойчивой по отношению к дестабилизирующим факторам, так как она построена по принципу непосредственного сравнения вспомогательной частоты сигнала f_c и перестраива­емого гетеродина f_г.

Квадратурно-фазовый дискриминатор включает два преобразо­вателя частоты, состоящих из балансных смесителей и фильтров низких частот (ФНЧ), двух фазосдвигающих цепей на p/2 и фазо­вого детектора (ФД) (рис. 32).

Обозначим напряжение ПГ на входах смесителей

(15)

Напряжение сигнала

(16)

Определим напряжения на выходах преобразователей с учётом действия фазосдвигающих цепей. При этом будем иметь в виду, что ФНЧ выделяет низкую частоту, равную разности между большей и меньшей частотами входных сигналов. Фаза низкочастотного коле­бания равна разности фаз между большей и меньшей частотами. Это является главным, что определяет принцип действия КФД.

Пусть w_г > w_с, тогда напряжение на входах фазового детектора с учётом выражений (15) и (16) можно представить в виде

(17)

При w_г > w_с

(18)

Из формул (17) и (18) видно, что при f_г > f_с фазы напря­жений U₁ и U₂ на входах ФД одинаковы и напряжение на выходе ФД DU > 0; при f_г < f_с фазы противоположны и DU< 0.

На рис. 33, а и 33, б показаны спектры гармонических сигналов, а на рис. 33, в - соответствующая этому случаю ступенчатая дискриминационная характеристика. Реальный спектр допплеровских частот содержит множество гармоник со случайными амплитудами (рис. 34, a). Для части гармоник, для которых f_г > f_сi, напряжение дискриминатора DU > 0, для остальных DU < 0. Среднее значение =0 при f_г = f_{с ср} при плавном изменении f_г относительно f_{с ср} изменяется в соответствии с рис. 34, б), образуя типичную характеристику частотного дискриминатора. Полоса прозрачности частотно-следящего фильтра опре­деляется полосой пропускания ФНЧ, изменение полосы производится переключением постоянной времени в ФНЧ.

Рассмотрим работу следящего фильтра в режиме слежения (рис. 31). В этом случае спектр сигнала находится в полосе про­пускания фильтра. Выходной сигнал КФД DU поступает через ключ на интегратор И1.

Если f_г > f_{с ср} то > 0 и напряжение интегра­тора с течением времени увеличивается. В качестве управляюще­го оно через суммирующий каскад подаётся на ПГ, частота кото­рого будет уменьшаться до тех пор, пока не установится =0. При f_г < f_{с ср} < 0 и f_г увеличивается. Таким образом отслеживается значение f_г = f_{с ср} =f_оп + F_{Д ср}. Выходным сигналом является гармоническое колебание, получае­мое как разность частот перестраиваемого гетеродина и генера­тора опорной частоты

.

Кроме того, формирователь импульсов преобразует синусо­идальный сигнал в последовательность стандартных импульсов, которая параллельно выдаётся на импульсный выход.

Интегратор И1 играет роль накопителя сигнала ошибки, сглаживающего фильтра и запоминающего устройства о величине f_{с ср} в тех случаях, когда следящий фильтр переходит в ре­жим " Память".

Ключ Кл поддерживается пороговой схемой в положении " Сле­жение" втечение времени, пока отношение сигнал/шум в полосе пропускания КФД не меньше допустимого (порядка 0 дБ) для на­дёжного измерения F_{Д ср}. Для работы пороговой схемы необхо­димо оценивать мощность сигнала в полосе КФД, а также мощность шума на выходе УДЧ в частотной полосе, не содержащей полез­ного сигнала. Мощность шума оценивается с помощью схемы, состоящей из полосового фильтра с граничными частотами 12 и 14 кГц, квадратичного детектора и интегратора И2, подсоединённой к входу следящего фильтра. Выходной сигнал этой схемы подаётся в качестве порога для сравнения с ним мощности полезного сигнала.

Для того, чтобы оценить мощность полезного сигнала в по­лосе КВД по выходному напряжению DU, среднее значение которого в режиме слежения = 0, оказалось необходимым в цепь управления частотой f_г через каскад суммирования вводить дополнительный синусоидальный сигнал от генератора частоты захвата ГЧЗ с частотой f_захв ≈ 60 Гц. Под действием сигнала ГЧЗ частота f_г периодически смещается на небольшую величину относительно f_{г ср}, При этом возникают пульсации DU с частотой f_захв, если в полосе КФД есть спектр сигнала. Если сигнала в полосе КФД нет, то пульсаций DU не будет, поскольку спектральная плотность шума на интервале частот, соответствующей полоса КФД, практически постоянна.

Для принятия решений о наличии сигнала с отношением сигнал/шум не меньше заданного используют фазовый детектор (ФД) и пороговое устройство. На ФД подаются сигнал КФД DU и опорное напряжение от ГЧЗ. ФД выделяет составляющую DU, совпадающую по фазе с напряжением захвата. Если в полосе пропускания КФД есть полезный сигнал, то среднее значение выходного сигнала ФД захвата зависит от мощности сигнала и шума, а при отсутствии сигнала определяется только мощностью шума.

Напряжение на выходе ФД захвата сравнивается с выходным (пороговым) напряжением интегратора И2. Когда напряжение ФД меньше порогового, ключ Кл переключается в положение " Поиск", слежение прекращается, выдаётся сигнал " Память" и начинается поиск допплеровского спектра по частоте. На вход интегратора И1 подается напряжение поиска, представляющее собой меандр с периодом порядка 60 с. При этом выходное напряжение интеграто­ра И1 изменяется по линейно-ломаному закону, обеспечивая медленный поиск по частоте в пределах диапазона возможных допплеровских частот.

При появлении спектра сигнала в полосе КФД с достаточным отношением сигнал/шум, срабатывает пороговое устройство, ключ Кл переключается в положение " Слежение" и схема переходит в ре­жим сопровождения сигнала по частоте.

Периодическое изменение частоты f_г под воздействием напря­жения ГЧЗ приводит к периодическому, с частотой f_{захв ,} изменению выдаваемых следящим фильтром значений средней допплеровской частоты F_{Д ср}. Однако это не приводит к возрастанию погрешностей ДИСС, так как вычислитель W_п и a_с имеет интег­раторы с постоянной времени, значительно превышающей величину Т_захв =1/ f_захв.

В заключение приведём типовые тактико-технические характе­ристики самолётного ДИСС гражданской авиации с ЧМ-сигналом:

- диапазон измеряемых путевых скоростей составляет - 180 -1300 км/ч;

- диапазон измеряемых углов сноса - ±30^о;

- ошибка измерения путевой скорости (2s_w) при горизонтальном полёте над сушей - не более 0, 25%;

- ошибка измерения угла сноса (2s_aс) - не более 16';

- измерение обеспечивается при углах крена до 20^о, углах танга­жа - до 10^о;

- рабочий диапазон высот – 10 -15000 м;

- вид излучения - непрерывный ЧМ-сигнал;

- диапазон длин волн - 2, 24 - 2, 26 см;

- число лучей - 3, l - расположение;

- установочные углы лучей:

в горизонтальной плоскости относительно продольной оси самолёта a = 35°;

угол наклона в вертикальной плоскости b = 64°;

- коэффициент усиления антенны по лучу - 400;

- ширина луча по нормали к изодопплеровской гиперболе 4, 5^о, вдоль гиперболы - 10°;

- частота переключения лучей - 3 Гц;

- мощность излучаемых колебаний - 0, 26 Вт;

- диапазон допплеровских частот сигнала - 0, 8 -11 кГц

- чувствительность по захвату - не менее 109 дБ/мВт;

- время поиска сигнала - не более 9 ± 3 с;

- потребляемая мощность по сети 115 В 400 Гц – не более 300 ВА, по сети постоянного тока 27 В - не более 3 Вт.