Niejednoznacznoœci okreœlenia czêstotliwoœci pierœcieniowego dyskryminatora czêstotliwoœci

Transkrypt

1 BIULETYN WAT VOL. LV, NR, 6 Niejednoznacznoœci okreœlenia czêstotliwoœci pierœcieniowego dyskryminatora czêstotliwoœci BRONIS AW STEC, CZES AW REÆKO Wojskowa Akademia Techniczna, Wydzia³ Elektroniki, Instytut Radioelektroniki, -98 Warszawa, ul. S. Kaliskiego Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki badañ modelu dyskryminatora czêstotliwoœci typu cosinus z pierœcieniowymi detektorami fazy, pracuj¹cego w pasmie -4 GHz. Zastosowanie do budowy dyskryminatora rzeczywistych elementów powoduje powstanie niejednoznacznoœci okreœlenia czêstotliwoœci. Miar¹ odchylenia rzeczywistej charakterystyki detektora czêstotliwoœci od charakterystyki teoretycznej jest przebieg b³êdu w funkcji czêstotliwoœci. W artykule zaprezentowano przebiegi charakterystyk b³êdu detektorów czêstotliwoœci oraz przedstawiono metody eliminacji niejednoznacznoœci. S³owa kluczowe: mikrofalowy detektor czêstotliwoœci, mikrofalowy dyskryminator, pierœcieniowy dyskryminator Symbole UKD: Wstêp Pasmo pomiarowe dyskryminatora czêstotliwoœci, poprzez wykorzystanie okreœlonej struktury mikrofalowej i metody przetwarzania napiêæ wyjœciowych, zostaje podzielone na podpasma. Analogowa reprezentacja napiêæ wyjœciowych detektorów czêstotliwoœci zostaje zamieniona, przy pomocy uk³adu przetwarzania, na postaæ cyfrow¹. W wyniku zastosowania elementów rzeczywistych, których charakterystyki odbiegaj¹ od teoretycznych, wystêpuj¹ pewne zjawiska szkodliwe i niepo ¹dane. Szerokoœci podpasm odbiegaj¹ od teoretycznej, a w skrajnym przypadku mo liwe jest pojawienie siê podpasm opisanych tak¹ sam¹ kombinacj¹ bitów. Zjawisko takie nosi nazwê niejednoznacznoœci okreœlenia czêstotliwoœci i uniemo liwia pomiar czêstotliwoœci w pewnych zakresach pracy. Przy-

2 6 B. Stec, Cz. Reæko czyn¹ powstawania niejednoznacznoœci jest b³¹d detektora czêstotliwoœci, wynikaj¹cy z konstrukcji detektora fazy [, ] oraz braku dopasowania w uk³adzie detektora czêstotliwoœci.. B³¹d detektora czêstotliwoœci B³¹d detektora czêstotliwoœci pokazuje odchylenia pewnego charakterystycznego parametru sygna³u od wartoœci teoretycznej [3]. Parametrem takim mo e byæ przeciêcie przebiegów lub osi¹gniêcie przez sygna³ okreœlonej wartoœci lub przedzia³u wartoœci. B³¹d jest rezultatem istnienia odbiæ w strukturze detektora czêstotliwoœci, budowy detektora fazy oraz niedok³adnoœci wykonania linii transmisyjnych. Znajomoœæ rzeczywistych jego wartoœci pozwala okreœliæ maksymaln¹ iloœæ detektorów czêstotliwoœci w strukturze dyskryminatora, ze wzglêdu na mo liwoœæ powstania niejednoznacznoœci. Mo liwe jest tak e oszacowanie szerokoœci poszczególnych podpasm i sprawdzenie, czy spe³nione s¹ wymagania na ich szerokoœæ. Bezpoœrednio mo liwe jest porównywanie b³êdów detektorów czêstotliwoœci o jednakowych ró nicach d³ugoœci linii transmisyjnych. Do przetwarzania napiêæ wyjœciowych detektorów czêstotliwoœci wykorzystana jest metoda detekcji przejœæ przez zero. Za b³¹d uwa ane jest przejœcie przez zero przebiegu napiêcia wyjœciowego detektora czêstotliwoœci na czêstotliwoœci innej ni teoretyczna. B³¹d detektora czêstotliwoœci mo na przedstawiæ w postaci ró nicy czêstotliwoœci rzeczywistej i teoretycznej przejœcia przez zero, odniesionej do zakresu zmian fazy na wejœciu detektora fazy. Na rysunku przedstawione s¹ przyk³adowe przebiegi napiêæ wyjœciowych, dla detektora czêstotliwoœci, którego ró nica faz na wejœciu detektora fazy zmienia siê o p.,5 U t ( ) U rz ( ) f rz f t, i Rys.. Przyk³adowy przebieg napiêcia wyjœciowego teoretycznego i rzeczywistego detektora czêstotliwoœci dla zakresu zmian fazy o p na wejœciu detektora fazy

3 Niejednoznacznoœci okreœlenia czêstotliwoœci pierœcieniowego dyskryminatora... 7 B³¹d dla tego detektora czêstotliwoœci mo na zdefiniowaæ jako: ( frz ft ) Φ Θ f =, f f gdzie: f rz czêstotliwoœæ rzeczywista przejœcia przez zero przebiegu napiêcia wyjœciowego; f t czêstotliwoœæ teoretyczna przejœcia przez zero przebiegu napiêcia wyjœciowego; F zakres zmian fazy dla pasma czêstotliwoœci od f d do f g; f d dolna czêstotliwoœæ teoretyczna; f g górna czêstotliwoœæ teoretyczna. Pasmem teoretycznym nazywamy zakres czêstotliwoœci, na jaki dyskryminator by³ projektowany. Ogólnie mo na zapisaæ, e b³¹d okreœlenia czêstotliwoœci przez n-ty detektor dla m-tego przejœcia wynosi: n ( frzm ftm ) π Θ fm =, f f n gdzie: Θ fm b³¹d n-tego detektora czêstotliwoœci dla m-tego przejœcia przez zero; f rzm czêstotliwoœæ rzeczywista m-tego przejœcia przez zero; f tm czêstotliwoœæ teoretyczna m-tego przejœcia przez zero. Taki sposób przedstawiania b³êdów pozwala na porównanie detektorów czêstotliwoœci pomiêdzy sob¹, bez wzglêdu na ró nicê d³ugoœci linii transmisyjnych. 3. Wyniki badañ oœmiokana³owego MDCz Pomiary modelu wielokana³owego dyskryminatora czêstotliwoœci zosta³y przeprowadzone na stanowisku pomiarowym, przedstawionym na rysunku. g g d d n () () Generator sygna³owy 8648B URM DCz DCz DCz 3 DCz 4 DCz 5 DCz 6 DCz 7 DCz 8 U U U 3 U 4 U 5 U 6 U 7 U 8 Rys.. Schemat uk³adu pomiarowego

4 8 B. Stec, Cz. Reæko Pomiary zosta³y wykonane dla ró nicy d³ugoœci linii transmisyjnych dla poszczególnych detektorów czêstotliwoœci jak w tabeli. TABELA Detektor DCz DCz DCz3 DCz4 DCz5 DCz6 DCz7 DCz8 Ró nica d³ugoœci linii [mm],8 4 83, Przebieg charakterystyk wyjœciowych detektorów czêstotliwoœci DCz-DCz4 przedstawiono na rysunku 3. Uwy [V],5,5,5,5,5 3 3,5 4 Uwy [V],5,5 3 3,5 4 Uwy3 [V] 3,5,5 3 3,5 4 Uwy4 [V],5,5 3 3,5 4 Rys. 3. Przebiegi napiêæ wyjœciowych teoretycznych (kolor czerwony) i rzeczywistych (kolor niebieski) detektorów czêstotliwoœci dla ró nicy d³ugoœci linii transmisyjnych,8 mm, 4 mm, 83,5 mm i 67 mm Jak wynika z rysunku, kszta³t przebiegów wyjœciowych odbiega od teoretycznych. W wyniku odbiæ wystêpuj¹cych w uk³adzie dyskryminatora czêstotliwoœci oraz typu zastosowanych detektorów fazy napiêcia wyjœciowe s¹ zniekszta³cone. Przejœcia przez zero napiêæ wyjœciowych detektorów czêstotliwoœci nie wystêpuj¹ na czêstotliwoœciach teoretycznych. B³êdy detektorów czêstotliwoœci obliczono zgodnie z zale noœci¹. B³¹d detektora pierwszego wynosi,5 stopnia. Natomiast charakterystyki b³êdu pozosta³ych detektorów prezentuje rysunek 4. Pasmo pomiarowe -4 GHz zosta³o podzielone na 54 podpasma. W strukturze zawieraj¹cej osiem detektorów wyst¹pi³o jedenaœcie niejednoznacznoœci, których przyczyn¹ jest b³¹d detektora DCz, DCz3, DCz4 i DCz5.

5 Niejednoznacznoœci okreœlenia czêstotliwoœci pierœcieniowego dyskryminatora... 9 [stopnie] [MHz] 3 [stopnie] 3,55 3,6 3,65 3,7 3,75 3,8 3 4 [MHz] 4 [stopnie] [MHz] 5 [stopnie] [MHz] Rys. 4. Charakterystyki b³êdu detektorów DCz-DCz5 w funkcji czêstotliwoœci TABELA Podpasma Numer detektora Wartoœæ dopuszczalna b³êdu detektora [ ] Rzeczywista wartoœæ b³êdu detektora [ ] 45,47 3 ±,8 3, 93,95 4 ±5,6 6,, 5 ±,5 6 9, 3 ±,8 3, 6,8 5 ±,5 8,9 5,7 4 ±5,6 7, 3,34 5 ±,5 4,4 39,43 ±,4 4,5 4,4 ±,4 4,5 47,5 5 ±,5 7,8 48,5 5 ±,5 7,8 Szerokoœci podpasm dla oœmiokana³owego dyskryminatora czêstotliwoœci mieszcz¹ siê w przedziale,6-4,3 MHz, gdzie teoretyczna szerokoœæ podpasma wynosi 9,5 MHz. Istnienie niejednoznacznoœci oraz du ych rozbie noœci pomiêdzy szerokoœciami podpasm dla okreœlonej struktury jest niedopuszczalne. Konieczne jest wyeliminowanie niejednoznacznoœci oraz uzyskanie podpasm o zbli onych szerokoœciach.

6 B. Stec, Cz. Reæko 4. Eliminacja niejednoznacznoœci okreœlenia czêstotliwoœci Niejednoznacznoœæ okreœlenia czêstotliwoœci uniemo liwia prawid³ow¹ pracê mikrofalowego dyskryminatora czêstotliwoœci. Istniej¹ dwie metody eliminacji tego niekorzystnego zjawiska. Pierwsza z nich polega na modyfikacji struktury mikrofalowej czêœci dyskryminatora czêstotliwoœci. Struktura MDCz zostaje zmieniona poprzez wprowadzenie dodatkowych elementów lub u ycie elementów o innej budowie i lepszych parametrach. Druga mo liwoœæ polega na modyfikacji algorytmu przetwarzania napiêæ wyjœciowych MDCz. Prowadzi to do zmiany struktury przetwarzania, bowiem algorytm i struktura przetwarzania s¹ ze sob¹ nierozerwalnie zwi¹zane. W artykule przedstawiono metodê wykorzystuj¹c¹ modyfikacjê algorytmu przetwarzania oraz rezultaty badañ. Do przetwarzania napiêæ wyjœciowych dyskryminatora czêstotliwoœci z detektorami czêstotliwoœci typu cosinus wykorzystana jest metoda detekcji przejœæ przez zero. Istota tej metody polega na porównaniu poziomu napiêcia wyjœciowego ka dego detektora czêstotliwoœci z napiêciem odniesienia, przy pomocy komparatora, i przypisaniu bitowi wyjœciowemu jedynki lub zera logicznego. Wartoœæ napiêcia odniesienia jest równa zeru. Typowy uk³ad do przetwarzania napiêæ wyjœciowych oœmiokana³owego dyskryminatora czêstotliwoœci, przy wykorzystaniu metody detekcji przejœæ przez zero, przedstawiony jest na rysunku 5. K b We Mikrofalowa czêœæ MDCz K b 8 K8 b 8 Rys. 5. Struktura uk³adu przetwarzania dla oœmiokana³owego dyskryminatora czêstotliwoœci Przetwarzanie napiêæ wyjœciowych detektorów czêstotliwoœci na postaæ cyfrow¹ jest niezale ne i odbywa siê w tym samym czasie jednoczeœnie we wszystkich kana³ach. Struktura przetwarzaj¹ca jest bardzo prosta i sk³ada siê z oœmiu komparatorów, a wszystkie napiêcia progowe s¹ równe zeru. Modyfikacja metody przetwarzania polega na wprowadzeniu na wejœcia odniesienia komparatorów napiêæ progowych ró nych od zera. Wprowadzenie na-

7 Niejednoznacznoœci okreœlenia czêstotliwoœci pierœcieniowego dyskryminatora... piêæ progowych daje mo liwoœæ przesuniêcia punktów przejœcia przez zero napiêæ wyjœciowych ka dego detektora czêstotliwoœci. Tym samym mo liwa jest korekta szerokoœci poszczególnych podpasm oraz usuwanie niejednoznacznoœci okreœlenia czêstotliwoœci. Iloœæ progów dla ka dego detektora czêstotliwoœci jest równa iloœci przejœæ przez zero napiêcia wyjœciowego danego detektora czêstotliwoœci. Jednoczeœnie wartoœæ napiêcia progu mo e byæ inna dla ka dego przejœcia przez zero. Mo liwe s¹ dwa algorytmy pracy dyskryminatora: szeregowy i równoleg³y. W artykule tym zostanie opisany algorytm szeregowy. Korektê przejœcia przez zero napiêæ wyjœciowych detektorów czêstotliwoœci rozpoczyna siê od detektora czêstotliwoœci zawieraj¹cego linie transmisyjne z najmniejsz¹ ró nic¹ d³ugoœci. Zakres zmian fazy na wejœciu detektora fazoczu³ego pierwszego detektora czêstotliwoœci, dla pasma czêstotliwoœci -5 GHz, wynosi p. Detektor ten posiada tylko jedno przejœcie przez zero na czêstotliwoœci 5 MHz. Uwy [V],5,5,5,5 Up DCz Rys. 6. Przyk³adowy przebieg napiêcia wyjœciowego detektora czêstotliwoœci DCz Zakres regulacji po³o enia przejœcia przez zero przebiegu napiêcia wyjœciowego, jak wynika z rysunku 6, wynosi ±p/. Napiêcie wyjœciowe tego detektora, w zakresie jednoznacznego odczytu, zmienia znak tylko raz i do korekcji po³o enia przejœcia przez zero wystarcza tylko jedno napiêcie progowe. Wartoœæ tego napiêcia jest tak dobrana, aby przejœcie przez zero napiêcia wyjœciowego wyst¹pi³o na czêstotliwoœci jak najbardziej zbli onej do wynikaj¹cej z teorii. Po korekcie przejœcia przez zero napiêcia wyjœciowego pierwszego detektora czêstotliwoœci przeprowadzana jest korekta przejœcia przez zero drugiego w strukturze detektora czêstotliwoœci. Napiêcie wyjœciowe drugiego detektora czêstotliwoœci zmienia znak dwa razy. Do korekcji po³o enia przejœæ przez zero drugiego detektora czêstotliwoœci potrzebne s¹ dwa ró ne napiêcia progowe. O tym, które napiêcie progowe zostanie podane na wejœcie odniesienia komparatora decyduje stan bitu b detektora pierwszego. Dla stanu wysokiego bitu b na wejœcie drugiego komparatora podane zostanie napiêcie U p, a przy niskim stanie bitu b napiêcie U p. Zakres

8 B. Stec, Cz. Reæko Uwy [V],5,5,5,5 U p U p DCz DCz Rys. 7. Przyk³adowe przebieg napiêæ wyjœciowych detektorów czêstotliwoœci DCz i DCz zmian fazy na wejœciu drugiego detektora fazy wynosi p. Napiêcie wyjœciowe detektora pierwszego dzieli ten zakres na dwa podzakresy o szerokoœci p. Wynika st¹d, e równie w tym przypadku zakres zmian po³o enia przejœcia przez zero napiêcia wyjœciowego drugiego detektora wynosi ±p/. Dla ogólnego przypadku przejœcia przez zero ka dego detektora czêstotliwoœci mog¹ byæ przesuniête maksymalnie o ±p/ w stosunku do teoretycznego przejœcia przez zero i dyskryminator bêdzie pracowa³ poprawnie. Zmodyfikowana struktura uk³adu przetwarzania przedstawiona jest na rysunku 8. K b We Mikrofalowa czêœæ MDCz Up K b Up Up Rys. 8. Fragment zmodyfikowanej struktura uk³adu przetwarzania Przebieg b³êdów detektorów czêstotliwoœci DCz, DCz3, DCz4, DCz5 w zale noœci od dok³adnoœci ustawienia napiêæ progowych przedstawia rysunek 9. Symulacje zosta³y wykonane dla napiêæ progowych ustawionych z dok³adnoœci¹ do mv (kolor czerwony), mv (kolor niebieski) i 5 mv (kolor czarny). Z rysunku 9 wynika, e b³¹d detektora czêstotliwoœci jest funkcj¹ dok³adnoœci ustawienia napiêcia progowego.

9 Niejednoznacznoœci okreœlenia czêstotliwoœci pierœcieniowego dyskryminatora... 3 [stopnie],5,5,5,5 3 4 f [MHz] 3 [stopnie],5,5 3 4 f [MHz] 4 [stopnie] 3 4 f [MHz] 5 [stopnie] f [MHz] Rys. 9. Przebieg funkcji b³êdu detektorów czêstotliwoœci w funkcji dok³adnoœci ustawienia napiêcia progowego 5. Wnioski Modyfikacja algorytmu przetwarzania, wymuszaj¹ca odpowiedni¹ strukturê uk³adu przetwarzania, pozwoli³a usun¹æ niejednoznacznoœci oraz uzyskaæ przedzia³y o zbli onej szerokoœci. Z przeprowadzonych badañ wynika jednoznacznie, e w celu zapewnienia prawid³owej pracy dyskryminatora czêstotliwoœci na wyjœciu struktury mikrofalowej musz¹ pojawiæ siê przebiegi napiêciowe o odpowiednim kszta³cie i monotonicznoœci. Zmiany w strukturze mikrofalowej powinny prowadziæ do otrzymania przebiegów o odpowiedniej jakoœci. Przebiegi takie zostan¹ otrzymane wówczas, gdy zminimalizowany zostanie wp³yw odbiæ wewn¹trz struktury detektora na kszta³t przebiegów napiêæ wyjœciowych. W modelu dyskryminatora poprawê kszta³tu przebiegu wyjœciowego uzyskano poprzez zastosowanie uk³adu dopasowuj¹cego. Zalet¹ tego rozwi¹zania jest mo liwoœæ uzyskania wiêkszej wypadkowej czu³oœci mikrofalowego dyskryminatora czêstotliwoœci. Artyku³ wp³yn¹³ do redakcji..5 r. Zweryfikowan¹ wersjê po recenzji otrzymano w marcu 6 r. LITERATURA [] B. STEC, CZ. REÆKO, Szerokopasmowy mikrofalowy detektor fazy z pierœcieniem diodowym, Biul. WAT (59), Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa, s [] B. STEC, CZ. REÆKO, S. CZKOWSKI, Mikrofalowe dyskryminatory pierœcieniowe, Materia- ³y IX Konferencji Naukowej Sterowanie i Regulacja w Radiolokacji i Obiektach Lataj¹-

10 4 B. Stec, Cz. Reæko cych, Centrum Szkolenia Radioelektronicznego, Jelenia Góra, 6-8 czerwca 998, tom II, s [3] CZ. REÆKO, Wielooktawowy mikrofalowy dyskryminator czêstotliwoœci z fazoczu³ymi detektorami pierœcieniowymi, rozprawa doktorska, Warszawa 4. B. STEC, CZ. REÆKO Ambiguities of frequency measurement for ring frequency discriminator Abstract. Results on investigations of a model for frequency discriminator of the cosine type with phase ring detectors operating in the -4 GHz frequency band are described in the paper. The use of real elements in discriminator structure results in ambiguities of frequency measurement. A measure of a deviation of real frequency detector characteristic from theoretical one is an error versus frequency dependence. Courses of errors for frequency detectors as well as methods for elimination of ambiguities are presented in the paper. Keywords: microwave frequency detector, microwave discriminator, ring discriminator Universal Decimal Classification: