Цифровые системы автоматической регулировки усиления

Система автоматической регулировки усиления (АРУ) предназначена для расширения динамического диапазона приемника и поддержания в заданных пределах выходного напряжения усилителя промежуточной частоты (УПЧ) при изменении амплитуды входного сигнала.

Принцип действия системы АРУ состоит в автоматическом изменении коэффициентов усиления (передачи) отдельных каскадов приемника при изменении амплитуды принимаемого сигнала. Система АРУ должна содержать регулируемые каскады усиления (или делители напряжения) и цель регулирования (ЦР) (рис.4.9.).ЦР вырабатывает управляющее напряжение, воздействующее на регулирование элементов усилительного тракта. Обычно ЦР включает в себя амплитудный детектор (АД) и фильтр нижних частот (ФНЧ), а при повышенных требованиях к системе АРУ – дополнительно усилитель перед АД или после него. Перед АД устанавливается усилитель напряжения, а после АД – усилитель постоянного тока (УПТ).

а

Рис. 5.8. Функциональные схемы систем АРУ

(4.5)

p=10³…10⁵;q=1,1…3

Основные параметры и характеристики систем АРУ.

1. Эффективность АРУ оценивают двумя величинами, выраженными в децибелах:

-отношением напряжений сигнала на входе УПЧ

(4.6)

-отношением напряжений сигнала на выходе УПЧ

(4.7)

Значения D_вх и D_вых могут быть определены по амплитудной характеристике приемника (рис.2.) или измерены непосредственно.

2. Мерой эффективности АРУ может служить дифференциальный параметр амплитудной характеристики (АХ) (рис.4.10.), где конечные приращения выражены в децибелах

(4.8)

Если АХ линейна в пределах от U_{вх min} до U_{вх max}, то

(4.9)

3. Инерционность системы АРУ обычно оценивают постоянной времени системы АРУ. Если ФНЧ системы АРУ представляет собой однозвенный RC-фильтр

(4.10)

где - длительность импульса РЛС,

- постоянная времени ФНЧ;

- параметр, зависящий от входного сигнала и параметров системы АРУ.

Рис5.9.Типовая регулировочная характеристика усилительного тракта приёмника

В приемниках импульсных сигналов управляющее напряжение может быть как непрерывным (инерционные импульсные системы АРУ), так и импульсным (системы БАРУ). В некоторых специальных приемниках применена система шумовой АРУ (ШАРУ), т.е. система АРУ по шумам, которая при отсутствии сигнала поддерживает постоянный уровень шума на выходе приемника. Управляющее напряжение в системе ШАРУ образуется из напряжения шума на выходе. Чтобы устранить влияние полезного сигнала на работу системы ШАРУ, в паузах между поступлением сигналов цепь регулирования стробируют, причем в моменты времени, когда сигнал заведомо отсутствует.

5.2.3.1 Выпрямители системы АРУ

Постоянное напряжение на выходе выпрямителя системы АРУ должно быть пропорциональным значению того параметра сигнала, который в процессе передачи информации остается постоянным. При приеме импульсных сигналов постоянное напряжение на выходе выпрямителя системы АРУ должно быть пропорционально среднему значению амплитуды импульсов.

Если применяется безинерционный импульсный детектор, напряжение на выходе ФНЧ оказывается малым. При больших скважностях импульсов применяются пиковые детекторы со сбросом, выходное напряжение которых практически равно амплитуде предыдущего импульса.

Цифровая система АРУ содержит логическое устройство, формирующее кодовые сигналы, когда уровень выходного сигнала усилителя выходит за установленные приделы. Кодовые сигналы используются для коммутации управляемых делителей напряжения, включенных в регулируемые усилители. Такие системы АРУ, выполняемые с применением логических элементов в виде ИС, характеризуются высокой стабильностью параметров в широком диапазоне температур, позволяют достичь идентичности характеристик в многоканальных усилителях.

Обычно АРУ начинает регулировать коэффициент усиления при достижении амплитудой выходного сигнала U_вых некоторого напряжения задержки U_з.д. (т.к. АРУ с задержкой). При U_вых <U_з.д. и использовании обычных аналоговых устройств АРУ с увеличением уровня входного сигнала выходная амплитуда также увеличивается, однако в значительно меньшей степени, определяемой коэффициентом неэффективности АРУ dU_вых/dU_з.д.. Коэффициент усиления тракта падает, достигая значения K_umin на границе области регулирования при U_вых=U_выхmax

Эффективность цифровой системы АРУ оценивается коэффициентом регулирования усиления

(4.11)

На рис.4.11 приведены структурная схема цифровой системы АРУ и характеристика квантователя с зоной нечувствительности.

В цифровой системе АРУ (рис.4.11.а) к выходу регулируемых каскадов УПЧ подключен детектор АРУ, измеряющий амплитуду выходного сигнала. Сигнал на выходе детектора АРУ подвергается бинарному квантованию: если U_вых<U_з.д., то вырабатывается сигнал ошибки Z_д=+1, если U_вых>U_з.д., то Z_д=-1. Этот сигнал ошибки поступает в усредняющий реверсивный счетчик РС1 с коэффициентом счета n. При его переполнении на выходе РС1 появится импульс, увеличивающий на единицу (в зависимости от знака переполнения) число (код) R_a в реверсивном счетчике РС2. Код R_a меняется от 0 до R_max и регулирует коэффициент усиления УПЧ. Счетчик РС2 не должен переполняться: когда код R_a достигает 0 или R_max, происходит блокировка поступления импульсов соответствующего знака.

а

б

Рис.5.10. Структурная схема цифровой системы АРУ (а) и характеристика квантователя с зоной нечувствительности (б)

Коэффициент паразитной амплитудной модуляции m_n должен быть малым, т.е.

(4.12)

Зона нечувствительности в характеристику квантователя введена для того, чтобы избежать паразитной амплитудной модуляции, возникающей в результате автоколебаний при изменении кода на единицу (например, R_a=15,16,15,16,…). Это эквивалентно переходу от двухуровневого квантования (Z_д=+1) к трехуровневому (Z_д= 1,0).

Протяженность зоны нечувствительности целесообразно сделать равной дискрету регулирования 2m_nU_з.д.. Величина m_n в этом случае будет характеризовать статическую точность регулирования амплитуды сигнала. Для расчета R_max можно применить выражение

(4.13)

Характеристику АЦП с зоной нечувствительности можно реализовать с помощью двух компараторов с порогами, соответственно равными

(4.14)

Частоту дискретизации f_д желательно выбирать по крайней мере на порядок больше ширины спектра процесса на входе АЦП, которая определяется шириной полосы пропускания ФНЧ на выходе детектора АРУ.

Необходимый коэффициент счета реверсивного счетчика РС1 определяется выражением

(4.15)

где t₁ -период следования импульсов переполнения на выходе реверсивного счётчика РС1

Значения t₁ выбирается, исходя из того, какие частоты изменения амплитуды входного сигнала система должна подавлять, а какие - пропускать.

(4.16)

где f_пар – максимальная частота паразитной модуляции входного сигнала;

f_пол – минимальная частота полезной модуляции.

Схема временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) предназначена для предотвращения перегрузки приемника при отражении зондирующих сигналов от близко расположенных объектов. Интенсивность радиолокационного сигнала на входе приемника обратно пропорционально расстоянию до объекта в четвёртой степени. Чувствительность приёмника в течение периода повторения должна возрастать от минимума до максимума пропорционально времени в четвёртой степени. Такой закон реализовать трудно, поэтому в схемах ВАРУ обычно ограничиваются экспоненциальным или близким к нему законом.