«УСТРОЙСТВА ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ Под редакцией профессора В.С. Плаксиенко Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 200700 ...»

_

УСТРОЙСТВА ПРИЕМА

И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Под редакцией

профессора В.С. Плаксиенко

Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в

качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по

специальности 200700 –Радиотехника

МОСКВА

Учебно-методический и издательский центр

УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА

2004 Учебное пособие Таганрогский государственный радиотехнический университет Кисловодский гуманитарно-технический институт (Университет Академии оборонных отраслей промышленности РФ) УДК 621.391.262(075.8)+621.391.24(075.8) ББК 32.811. П Устройства приема и обработки сигналов: Учебное пособие для вузов/В.С. Плаксиенко, Н.Е. Плаксиенко, С.В. Плаксиенко; Под ред.

В.С. Плаксиенко. – М.: Учебно-методический издательский центр «Учебная литература», 2004. - 376 с.: ил.

Изложены принципы построения устройств приема и обработки сигналов, описаны основные схемотехнические и системные решения, теоретические основы работы устройств приема и обработки сигналов радиоэлектронных систем профессионального и бытового назначения.

Для студентов вузов и факультетов радиотехнических и телекоммуникационных специальностей.

Рецензент: Главный научный сотрудник Института радиотехники и электроники Российской академии наук (ИРЭ РАН) доктор технических наук, профессор А.С. Багдасарян УДК 621.391.262(075.8)+621.391.24(075.8) ББК 32.811. П ISBN –5-8367-0026-X Плаксиенко В.С., Плаксиенко Н.Е., Плаксиенко С.В., Устройства приема и обработки сигналов Введение Сложность и многообразие техники радиоприема делают обязательным требованием Государственного образовательного стандарта высшего образования изучение отдельного курса «Устройства приема и обработки сигналов» по специальности 200700 «Радиотехника» направления 654200 «Радиотехника». Аналогичные по содержанию курсы читаются для других специальностей по направлению «Радиотехника»:

«Методы и устройства приема и обработки сигналов»- для специальности 071500 «Радиофизика и электроника», «Устройства приема и преобразования сигналов» для специальности 201600 «Радиоэлектронные системы», «Прием и обработка сигналов» для специальности 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура» и по направлению 654400 «Телекоммуникации»: «Радиоприемные устройства»- для специальности 201100 «Радиосвязь, радиовещание и телевидение» «Устройства приема и обработки радиосигналов в системах связи с подвижными объектами»- для специальности 201200 «Средства связи с подвижными объектами» и т.д.

Указанные курсы включают в себя ряд разделов, аналогичных по своему содержанию: классификация и основные показатели устройств приема и обработки сигналов, внутренние шумы радиоприемников и помехи радиоприему, схемотехника и анализ узлов линейного тракта приемника (входные цепи, усилители радиочастоты, преобразователи частоты, амплитудные, частотные и фазовые детекторы), ручные и автоматические регулировки в радиоприемниках и др. Рассматриваются особенности специализированных устройств приема и обработки сигналов, ориентированных на конкретную специальность.

В пособии нашел отражение опыт преподавания курса на соответствующих кафедрах Таганрогского государственного радиотехнического университета, Кисловодского гуманитарно-технического института (Университет академии оборонных отраслей промышленности РФ) и Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (Шахтинский технологический институт бытового обслуживания).

Пособие написано под редакцией профессора Плаксиенко В.С.

коллективом авторов. Введение, разделы 1 – 10 и заключение - В.С Плаксиенко, раздел 12 - совместно В.С. Плаксиенко и С.В. Плаксиенко, разделы 11, 13 и 14 - совместно В.С. Плаксиенко и Н.Е. Плаксиенко.

Пособие будет полезно студентам, обучающимся по направлениям «Радиотехника» и «Телекоммуникации», а также аспирантам и специалистам, занимающимся вопросами разработки и анализа устройств приема и обработки сигналов.

Учебное пособие Основные этапы развития теории и техники радиоприёма История развития радиоприёмных устройств, как и всей радиотехники, неразрывно связана с именем гениального изобретателя радио Александра Степановича Попова.

7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге А. С. Попов демонстрировал работу первого в мире радиоприёмника, названного им грозоотметчиком. Менее чем через год, марта 1896 г., на заседании того же общества А. С. Попов произвёл передачу первой в мире радиограммы на расстояние 250 метров без проводов.

Все последующие годы жизни А. С. Попова были посвящены совершенствованию изобретённого им нового способа связи. Год 1901. Человечество ещё не пришло в себя от изумления: всего 5 лет назад изобретён способ передавать сигналы на расстояние без проводов. В обиход входят новые, непривычные для слуха слова: “радио”, “беспроволочный телеграф”… И вот Маркони задумывает смелый опыт – пытается осуществить связь не на десяти километров, а на гигантские расстояния между континентами. Передатчик установлен в Англии, на полуострове Корнуолл. Приёмное устройство – за тысячи километров, в Северной Америке, на полуострове Ньюфаундленд. С точки зрения теоретиков это был эксперимент, обречённый на неудачу. Не могли радиоволны через тысячи километров Атлантического океана обогнуть выпуклость земного шара, волна непременно должна была затухнуть.

Таков был строгий приговор теории. Но, как это часто бывает, эксперимент с этим обстоятельством не посчитался. Радиосвязь на длинной трассе через просторы Атлантики была осуществлена. И сила сигнала во много раз превышала расчётную! Пришлось срочно искать объяснение этому чуду. Так была открыта ионосфера.

В то время для радиосвязи использовались искровые или дуговые передатчики и детекторные приёмники на основе знаменитого когерера.

Когерер использовался для обнаружения электромагнитных колебаний в первых опытах по радиосвязи А. С. Попова и Г. Маркони. Под воздействием поля приходящей волны между опилками возникали микроскопические разряды, образовывались микроскопические “мостики”, и сопротивление когерера резко уменьшалось, что и приводило к срабатыванию реле. В дальнейшем помощники А. С. Попова П. Н. Рыбкин и Д. С. Троицкий обнаружили детекторный эффект когерера, обусловленный нелинейностью вольт - амперной характеристики, и использовали для приёма на головные телефоны (1899). В последующих опытах в 1901 году было замечено, что чувствительность приёмника к слабым сигналам резко возрастала, если с приёмником был связан собственный генератор, пусть Устройства приема и обработки сигналов даже маломощный, настроенный на частоту, близкую к частоте принимаемого сигнала. Собственный генератор был назван гетеродином, а примник – гетеродинным.

С изобретением кристаллического детектора (1906–1908 ), и переходом на излучение незатухающих колебаний, гетеродинные приёмники стали незаменимы. При настройке местного гетеродина на частоту, отличающуюся на 0,5-1 кГц от частоты принимаемой станции, они обеспечивали слуховой приём телеграфных сигналов на телефонные трубки, в результате чего чувствительность и селективность приёмника резко возросли, а следовательно, увеличилась и дальность связи. В те годы считалось, что наиболее дальняя связь возможна лишь на сверхдлинных волнах. Для генерации незатухающих колебаний на этих, сравнительно низких частотах, широко использовались мощные электромашинные генераторы. Для приёма сигналов использовали колесо Гольдшмидта, вращаемое моторчиком. Телефоны через коммутатор подключались непосредственно к антенне или к настроенному антенному контуру. Если частота коммутации немного отличалась от частоты принимаемого сигнала, в телефонах были слышны биения со звуковой частотой. По-видимому, это был первый смеситель мультипликативного типа.

11 ноября 1911 г. была впервые установлена односторонняя радиосвязь самолёта с землёй. В начале первой мировой войны под руководством Н. Д. Папалекси была создана радиостанция для двусторонней радиосвязи самолёта с землёй.

В эпоху расцвета гетеродинных приёмников был изобретён генератор на вакуумном триоде (Мейснер, 1913), и супергетеродин (Леви, 1917). Само название супергетеродинные приёмники получили от гетеродинных. Гетеродинный приём около полутора десятилетий безраздельно царил в области телеграфной связи. Но с 20-х годов в передатчиках стали широко использовать амплитудную модуляцию (АМ), а в приёмниках – радиолампы. Приёмники прямого усиления содержали один-два каскада усиления радиочастоты, ламповый детектор и несколько каскадов усиления звуковой частоты. Позиции приёмников прямого усиления значительно укрепил регенератор (Армстронг, 1922). Благодаря введению положительной обратной связи, значительно увеличилась и селективность, и чувствительность приёмника. Широкое использование регенератора позволило выявить несколько аспектов его использования Для приема АМ-сигналов обратная связь устанавливалась несколько ниже критической, т.е. такой, когда собственные колебания в контуре регенератора ещё не возникали, но потери энергии в контуре в значительной степени компенсировались. Эффективная добротность контура достигала нескольких тысяч, что приводило к увеличению и селективноУчебное пособие сти, и чувствительности. Для приёма телеграфных сигналов обратная связь в контуре устанавливалась больше критической, в контуре возникали собственные колебания, а в цепи лампы появлялся ток биений с частотой, равной разности частот принимаемых и собственных колебаний.

Регенератор превращался в автодинный приёмник. С появлением в 30-х годах ламповых супергетеродинных приёмников, где основная селективность получалась за счёт полосовых фильтров в тракте промежуточной частоты, эти приёмники были забыты.

Супергетеродинные приёмники обычно проектировались для приёма АМ - сигналов и оснащались обычным амплитудным детектором, одинаково хорошо реагировавшим и на сигнал, и на помехи. Для приёма телеграфных сигналов на биениях служил второй, или “телеграфный”, гетеродин, возбуждавшийся на частоте, близкой к промежуточной. Часто его колебания просто подмешивали к сигналу ПЧ, подаваемому на амплитудный детектор, теряя тем самым дополнительную селективность, обеспечиваемую УЗЧ, и ухудшая качество сигнала из-за его прямого детектирования. Широкое распространение однополосной модуляции заставило ввести в супергетеродин второй смеситель, преобразующий сигнал ПЧ на звуковые частоты.

Безраздельное господство супергетеродинных приёмников привело к тому, что к 50-м годам радиоспециалисты и радиолюбители пребывали в уверенности, что существуют лишь два больших класса радиоприёмных устройств: приёмники прямого усиления и супергетеродины. Первые обладали существенными недостатками (малая чувствительность и селективность, необходимость одновременной перестройки нескольких контуров, неравномерность параметров по диапазону, склонность к самовозбуждению и т.д.), вторые эти недостатки устраняли, но… взамен имели собственные (наличие зеркальных и побочных каналов приёма, интерференционные свисты, необходимость сопряжения контуров и т.д.).

В 40 - 50х годах стремительно развивается СВЧ - техника. Это произошло вследствие развития элементной базы: полупроводниковых и ламповых приборов.

Вспомнили принцип гетеродинного приёма радиолюбители, использующие при работе в эфире самые “дальнобойные” виды сигналов – телеграфные и однополосные телефонные. С конца 60-х годов стали появляться сообщения о хороших результатах, полученных с гетеродинными приёмниками, при использовании чрезвычайно простых схемных решений. Оказалось, что они работают не хуже, а часто даже и лучше, чем сложные ламповые. Например, первый транзисторный гетеродинный приёмник (Бингхем и Хейворд, 1968) обеспечил приём в США азиатских станций в диапазоне 80 метров. Немало способствовала возрождению Устройства приема и обработки сигналов гетеродинного приёма и новая элементарная база, ведь создать УЗЧ с чувствительностью в доли микровольта на лампах практически невозможно, а на транзисторах и ИМС – сравнительно несложно. Название появилось новое – приёмник прямого преобразования (direct conversion receiver, DCR), подчёркивающее факт прямого, без предварительного переноса на ПЧ, преобразования радиочастоты в звуковую – именно преобразования, а не детектирования. Этим гетеродинные приёмники радикально отличаются от приёмников прямого усиления, что позволяет выделить их в отдельный класс радиоприёмных устройств. Из других, менее точных названий, использовались и ещё иногда используются такие, как гомодинный приёмник, синхродин и супергетеродин с нулевой ПЧ.

Таким образом, можно сказать, что приёмник – это сложная система взаимодействующих друг с другом частей. Все они неразрывно связаны и работают как одно слаженное целое.

В процессе своего развития приёмник прошёл путь от грозоотметчика (в котором когерер служил своего рода “активным элементом”) до современного супергетеродинного приёмника, конструктивно выполненного в виде одной микросхемы; от громоздкого лампового приёмника, до портативного, размещённого в телефонной трубке. Всё это за каких-то 100 лет! Можно себе представить, что будет дальше. Хотя возможности приёма и ограничены, но кто скажет, что не будут найдены новые технологии, позволяющие повысить чувствительность и дальность приёма до огромных значений? Ведь всегда сначала фантасты что-то “изобретают”, потом это изобретают, но уже без кавычек, наши Кулибины. Может будущее за нейтрино, которое без труда пронизывает сталь, толщиной с галактику?

Современные приёмники позволяют уловить столь ничтожный сигнал, что можно на высоте в 300 км “увидеть” монетку (установка исследования ионосферы методом некогерентного рассеяния радиоволн) или прощупать вселенную на 20 миллиардов (!) световых лет, хотя представить себе такие расстояния, даже миллиард миллиметров, или 1000 км, не каждый может, хотя это расстояние вполне наше, земное. Так что можно сказать, что радио если не в стадии детства, то по крайней мере в стадии юношества.

Современные устройства приема и обработки сигналов (УПОС) состоят из собственно радиоприемных устройств (РПрУ) и устройств обработки сигналов. Под радиоприемным устройством понимают часть приемного комплекса, содержащую тракты радиочастоты, промежуточной частоты и демодулятор. Остальную часть, в том числе декодеры, УНЧ и т.д. относят к устройствам обработки. Радиоприемным называется устройство, предназначенное для приема, преобразования и усиления сообщений, передаваемых с помощью электромагнитных волн.

В общем случае РПрУ состоит из приемной антенны, приемника и оконечного устройства.

В антенне (А) под действием электромагнитного поля возникают электрические колебания, которые подаются на вход приемника.

В приемнике происходит выделение нужного сигнала из множества других сигналов. Сигналом называется электрическое отображение сообщения, несущее полезную информацию. Это обычно напряжение или ток, один из параметров которого (амплитуда, частота, фаза и др.) изменяется в зависимости от характера сообщения.

Прием можно разбить на три этапа:

усиление полезного сигнала;

обработка принимаемого сигнала с целью уменьшения влияния помех;

детектирование высокочастотного сигнала для выделения сообщения.

Однако это относительно, так как, например, первый и второй этапы могут выполняться одновременно одним функциональным узлом.

Воспроизводящее устройство (ВУ) регистрирует сообщение. В качестве ВУ может быть громкоговоритель, кинескоп, печатающее устройство (принтер, плоттер, факс) и др. Сообщение может также регистрироваться иными устройствами, с запоминанием нужной информации (АЦП, RAM, магнитная лента, стример и пр.). В настоящее время телевизионное или звуковое сообщение может приниматься ЭВМ, одновременно обрабатываться, записываться, редактироваться и воспроизводиться.

РПрУ классифицируются по их назначению, диапазону принимаемых частот, виду модуляции, способу построения тракта, способу питания, месту установки и т.д. Однако здесь также нет чётких границ, поскольку один приёмник может сочетать в себе множество функций (примник с АМ и ЧМ, приёмник на ДВ, СВ, КВ, УКВ, портативный со встроенным блоком питания и т.д.).

Классификация РПрУ по назначению приведена на рис. 1.1.

1.2. Классификация по диапазону принимаемых частот Диапазон принимаемых частот зависит от назначения РПрУ. Так, для радиовещательных приемников существуют следующие диапазоны.

Для звуковых:

КВ : от 3.95 до 26.1 МГц (7 узких участков согласно Для телевизионных:

На ДВ и СВ станции расположены с шагом 9 кГц. На ДВ всего каналов: 1-й – 153 кГц…15-й – 279 кГц. На СВ всего 120 каналов: 1-й – 531 кГц…120-й – 1602 кГц. На КВ станции расположены с сеткой 5 кГц, но в одном регионе с шагом 10 кГц.

По рекомендации МККРТ (Международный консультативный комитет по радиовещанию и телевидению), спектр радиочастот делится на диапазоны, которые приведены в таблице.

Радиоприёмные Устройства приема и обработки сигналов Приёмник может быть предназначен для работы на одной или нескольких фиксированных частотах, в непрерывном или прерывном диапазоне частот. Для диапазонных приёмников определяется число поддиапазонов, коэффициенты перекрытия для них и запасы перекрытия по частоте между поддиапазонами.

В зависимости от вида модуляции принимаемых сигналов, РПрУ можно разделить на два больших типа: это приёмники с амплитудной модуляцией (АМ) и с частотной модуляцией (ЧМ).

Непрерывные АМ - сигналы наибольшее применение нашли в радиовещании, системах связи, радиоуправления, радионавигации и телеметрии. АМ - приёмники охватывают диапазоны от ДВ до КВ. В зависимости от режима работы радиолинии, различают одноканальные и многоканальные системы. В одноканальных линиях модулирующим служит одно низкочастотное напряжение с диапазоном модулирующих частот от FМИН (FН) до FМАКС (FВ) или с фиксированной частотой F. Оно непосредственно модулирует сигнал с несущей частотой f. В многоканальных линиях модулирующий сигнал состоит из нескольких различных низкочастотных напряжений, которыми вначале модулируются сигналы с поднесущими частотами fПi, отстоящими друг от друга на равный интервал f П.

Затем эти сигналы с модулированными поднесущими складываются и образуют результирующий сигнал, с помощью которого модулируется передаваемый сигнал с частотой f (несущая). Иначе говоря, многоканальные АМ - системы создаются по принципу частотного разделения каналов и имеют двухступенчатую амплитудную модуляцию (АМ – АМ).

Параметры вещательных АМ - сигналов:

диапазон рабочих частот: от 148 кГц до 26,1 МГц (ДВ, СВ, КВ FВ – до 5 кГц, промежуточная частота fПР = 465 кГц, частотное расстояние между соседними каналами fСК – 9 кГц – Непрерывные ЧМ - сигналы чаще всего применяются в радиовещании и в системах связи, радиоуправления и телеметрии. Обычно в приёмниках ЧМ ставится ограничитель амплитуды перед частотным детектором. Поскольку полезная информация заложена в изменении частоты, то с помощью ограничителя амплитуды существенно ослабляется паразитная амплитудная модуляция сигнала помехами, а это позволяет улучшить качество приёма. Радиолинии с частотной модуляцией также могут быть одноканальными и многоканальными. Методы построения многоканальных линий связи с частотной модуляцией для передачи телеграфных, телефонных и телеметрических сигналов различаются характером построения декодирующих устройств, включаемых на выходе примника для разделения каналов. Так же, как и в линиях с АМ, собственно ЧМ - приёмник закачивается групповым, или линейным усилителем, с выхода которого неразделённые канальные сигналы передаются на декодирующее устройство. Системы управления с ЧМ сигналами обычно строятся так, что для передачи каждого единичного сигнала управления выбирается определённая частота модуляции. Чтобы иметь необходимый набор различных команд, используется несколько различных частот модуляции, равных нужному количеству команд.

После частотного детектора в подобных приёмниках ставятся фильтры, настроенные на частоты модуляции сигнала. За каждым фильтром включается свой низкочастотный тракт, при необходимости имеющий усилительные каскады.

Параметры отечественных вещательных ЧМ - сигналов:

диапазон рабочих частот: УКВI (65,8-74 МГц), УКВII (100МГц), девиация – (50 или 75) КГц, промежуточная частота Следует особо выделить приёмники сигналов с одной боковой полосой (ОБП), которые, как правило, используются в телеметрии. Сигналы с ОБП позволяют практически вдвое сузить ширину спектра сигнала и увеличить дальность действия радиолинии при той же мощности радиопередатчика, что и в линиях с двухполосными сигналами. Приёмники сигналов с ОБП, в соответствии с характером принимаемого сигнала, бывают двух типов: с восстановлением несущей принимаемого сигнала по пилот-сигналу и с восстановлением несущей без пилот-сигнала (от местного гетеродина).

Различают также телевизионный (ТВ) сигнал. У него амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой для изображения и частотная модуляция – для звукового сопровождения.

В профессиональных приёмниках часто применяют дискретные сигналы - амплитудная, частотная, фазовая манипуляция или телеграфия (АТ, ЧТ, ФТ). В радиолокации, радионавигации, телеуправлении, радиотелеметрии, импульсной радиосвязи и в ряде других областей радиотехники применяют импульсные сигналы. В основном это приёмники метровых, дециметровых и сантиметровых волн. Как правило, они работают на фиксированных частотах. Переход от одной фиксированной частоты к другой осуществляется либо полной сменой высокочастотного блока, Устройства приема и обработки сигналов либо частичной заменой элементов этого блока и перестройкой гетеродина. Значительно реже такие приёмники имеют перестраиваемые преселекторы.

1.4. Классификация по способу построения тракта В приёмниках применяется либо прямое усиление сигналов до демодулятора, либо усиление с гетеродинным преобразованием частоты.

Приёмники прямого усиления просты, однако характеризуются сравнительно низкими показателями качества. Их чувствительность ограничена уменьшающимся с повышением рабочей частоты усилением, а селективность – возможным числом перестраиваемых в диапазоне частот, сопряжённых в настройке, колебательных контуров и трудностью сопряжения большого числа контуров. Приёмники прямого усиления находят, как правило, применение в диапазонах ДВ и СВ. В них усилитель радиочастоты (УРЧ) усиливает сигналы и осуществляет основную селекцию. Демодулятор выделяет сообщение (например, звуковой программы), которое через регулятор усиления поступает на усилитель звуковых частот (УЗЧ). В УЗЧ повышается мощность сигнала до значения, необходимого для нормальной работы оконечного устройства (громкоговорителя).

Для повышения усиления и селективности приёмников прямого усиления применяют положительную обратную связь (ПОС). Степень ПОС обычно регулируется, например конденсатором переменной ёмкости. Такой приёмник называется регенеративным. Недостатки регенеративных приёмников – усложнение настройки, зависимость параметров от напряжения питания и других факторов, значительные искажения сигналов.

В диапазоне УКВ применяют сверхрегенеративные приёмники.

Принцип сверхрегенерации состоит в применении глубокой ПОС, достаточной для самовозбуждения радиочастотных колебаний в УРЧ, и в периодическом прерывании самовозбуждения со сверхзвуковой частотой.

При этом среднее за период прерывание усиления может достигать миллиона, что позволяет получить высокую чувствительность приёмника.

Однако селективность сверхрегенеративного приёмника невелика.

Супергетеродинные приёмники характеризуются высокими показателями качества, однако имеют более сложную схему. Входная цепь (ВЦ) и УРЧ осуществляют усиление и предварительную селекцию сигналов, что способствует уменьшению искажений в смесителе преобразователя частоты (ПЧ). В смесителе происходит преобразование модулированного колебания с частотой принимаемого сигнала в модулированное колебание промежуточной частоты (постоянной для данного приёмника) без изменения формы огибающей. Частота принимаемого сигнала определяется частотой гетеродина и промежуточной частотой (обычно fС=fГ-fП).

Усилитель ПЧ выполняет основную селекцию принимаемого сигнала и усиливает его до уровня, достаточного для нормальной работы детектора.

Постоянство настройки фильтра промежуточной частоты (ФПЧ) позволяет увеличить число резонансных контуров или использовать пьезокерамические, электромеханические фильтры сосредоточенной селекции (ФСС), фильтры на ПАВ и др. Таким образом достигается высокая селективность по соседнему каналу приёма. Чувствительность супергетеродинных приёмников почти не зависит от частоты настройки, поскольку усиление сигнала осуществляется, в основном, в усилителе промежуточной частоты (УПЧ). Легко достижимый запас усиления позволяет применить систему автоматической регулировки усиления (АРУ) и расширить тем самым динамический диапазон приёмника. Недостаток супергетеродинных приёмников – наличие побочных каналов приёма, из которых основными (наиболее опасными) являются зеркальный и прямой каналы.

Ослабление приёма по побочным каналам осуществляется повышением селективности преселектора и линейности УРЧ, а также правильным выбором значения промежуточной частоты fП.

В приёмниках прямого преобразования частота гетеродина равна частоте принимаемого сигнала, поэтому ПЧ равна нулю. Следовательно, модулированное колебание с частотой принимаемого сигнала преобразуется в смесителе в напряжение сообщения, которое выделяется ФНЧ, а смеситель является синхронным детектором. Для синхронизации гетеродина необходимо применять систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Чувствительность приёмника прямого преобразования определяется усилением УЗЧ, а селективность – крутизной спада АЧХ ФНЧ.

Достоинства такого приёмника – простота, отсутствие высокочастотного зеркального канала и комбинационных помех. Недостатки – наличие низкочастотного зеркального канала приёма, чувствительность к наводкам фона переменного тока, возможность самовозбуждения УЗЧ вследствие большого усиления, повышенное излучение с частотой гетеродина, возможность прямого детектирования сильных сигналов с АМ от местных радиостанций.

Структурная схема приемника прямого усиления изображена на рис. 1.2.

Устройства приема и обработки сигналов

ВЦ УРЧ Д УНЧ

Электромагнитные колебания, наводимые в антенне (А) через соединительный фидер (Ф), подаются во входную цепь (ВЦ), представляющую резонатор, настроенный на частоту принимаемого сигнала. Выделенный сигнал усиливается в усилителе радиочастоты (УРЧ), в котором также могут использоваться резонансные цепи, что дополнительно обеспечивает частотную избирательность.

После усиления сигнал детектируется: для АМ - сигнала - амплитудным детектором (АД), а для ЧМ – частотным (ЧД). Детектор (Д) из ВЧ - колебания выделяет полезный модулирующий сигнал, который усиливается в усилителе низкой частоты (УНЧ) и поступает на оконечное исполнительное устройство.

В приемнике прямого усиления основное усиление осуществляется в УРЧ, коэффициент усиления которого КУ=106-107.

Регенеративный приёмник – это приёмник прямого усиления с положительной обратной связью (ПОС) в УРЧ. В нём положительная обратная связь периодически меняется с некоторой высокой частотой (вносимое в контур сопротивление - отрицательное). Амплитуда вносимых колебаний превышает амплитуду сигнала в 104 раз.

Структурная схема супергетеродинного приемника изображена на рис.1.3.

ВЦ УРЧ СМ УПЧ

В приемной антенне возникает ЭДС ЕА с частотой сигнала fС. Входная цепь и УРЧ содержат резонансные цепи, настроенные на частоту fС.

Усиленное напряжение сигнала UC с выхода УРЧ поступает на преобразователь частоты (ПЧ). С выхода ПЧ сигнал поступает на усилитель промежуточной частоты (УПЧ), содержащий избирательную систему и собственно усилитель. Часть приемника до ПЧ называют преселектором. ПЧ состоит из смесителя (СМ) и гетеродина (Г). Г - вспомогательный генератор, частота которого изменяется вместе с настройкой преселектора. СМ - нелинейный шестиполюсник, который осуществляет перенос спектра частот из одной области в другую. ПЧ, изменяя частоту сигнала, не влияет на форму модулирующей функции, т.е. действует по отношению к принимаемому сигналу как линейная параметрическая цепь. Поэтому часть РПрУ до детектора называют линейной по отношению к принимаемому сообщению.

Из теории нелинейных электрических цепей известно, что если на входе СМ действуют сигналы с частотами fC и fГ, то на его выходе получим ряд комбинационных частот ±nfГ± mfC|, где n, m = 1,2,3,....

Резонансная цепь на выходе смесителя настроена на промежуточную частоту fП = fГ – fС или fП = fС – fГ.

Если fГ > fС – это верхняя настройка частоты гетеродина, если fГ < fС – нижняя настройка частоты гетеродина.

Чаще, особенно в бытовых приемниках, fП < fС, т.е. преобразователь понижает частоту принимаемого сигнала.

Устройства приема и обработки сигналов Иногда спектр частот переносят вверх, тогда супергетеродинный приемник называют инфрадином.

Если сигнал принимают в некотором диапазоне частот, то для сохранения постоянного значения промежуточной частоты частоту гетеродина изменяют вместе с настройкой преселектора так, чтобы Преобразование принимаемых частот в постоянную частоту имеет ряд преимуществ:

- резонансные цепи УПЧ не перестраивают, что упрощает их конструкцию;

- перенос спектра в область более низких частот позволяет легко осуществить основное усиление в УПЧ;

- использование пониженной частоты позволяет сузить полосу пропускания (повысить избирательность), повысить коэффициент усиления и устойчивость УПЧ;

- на низкой частоте схемные решения более простые.

Супергетеродинный приемник имеет и недостаток - наличие побочных каналов приема, основные из которых - зеркальный и прямой.

Если на вход приемника поступит сигнал с частотой побочного канала, равной fЗК=fС+2fП, то после преобразования получим fЗК-fГ=fС+2fП-fГ=fГ+fП-fГ=fП, т.е. частота зеркального канала преобразуется в частоту fП и в УПЧ усиливается также, как и частота сигнала. Из диаграммы, приведенной на рис. 1.4, видно, что зеркальный канал может быть подавлен только в преселекторе.

Если частота соседнего канала fСК= fС-f, то после преобразования получим:

Соседний канал не попадает в полосу УПЧ, т.е. избирательность по соседнему каналу обеспечивается в УПЧ.

Прямой канал - это частота, совпадающая с частотой настройки УПЧ - fПр.

1.4.4. Приемник прямого преобразования На рис. 1.5 приведена структурная схема приемника прямого преобразования.

АЧХ УПЧ

Так, для телефонного канала полоса принимаемого сообщения равна 3кГц. Частота гетеродина должна быть отстроена от частоты принимаемого сигнала на (0,5 - 1) кГц так, чтобы на выходе СМ не было нулевых биений.

В таком приемнике основное усиление осуществляется в УНЧ, коэффициент усиления которого КУ = 104 - 106. Такое усиление позволяет получить чувствительность до долей микровольт.

Достоинством такого приемника является простота, недостаток наличие двух боковых полос приема.

К приемникам прямого преобразования относится синхродин, схема которого представлена на рис. 1.6, где ЦС – цепь синхронизации; СГ – синхронный гетеродин.

Устройства приема и обработки сигналов Возможно построение асинхронного приемника с двумя квадратурными каналами. При этом не нужна синхронизация до фазы.

По способу питания РПрУ делят на приемники:

- с автономным или внешним источником;

- от аккумуляторов (батареи) или сети;

- с универсальным источником питания.

Эти способы часто сочетаются друг с другом, поэтому здесь четких границ нет.

1. В радиотракте супергетеродинного приемника помимо усиления происходит преобразование частоты принимаемого сигнала.

2. При любой частоте принимаемого сигнала частота гетеродина такова, что промежуточная частота всегда приблизительно постоянна. Это существенно упрощает систему настройки и технологию изготовления приемника.

3. Результирующая АЧХ радиотракта приемника определяется в основном АЧХ селективных цепей тракта промежуточной частоты.

4. Основные недостатки супергетеродинного приемника – наличие побочных каналов приема и паразитного излучения с частотой гетеродина.

Современные РПрУ характеризуются большим числом показателей и эксплуатационно-технических характеристик. Рассмотрим некоторые из них без учета назначения РПрУ.

Основные показатели РПрУ должны определять меру его пригодности для приема сигналов в условиях действия помех.

К основным показателям относятся:

- Чувствительность.

- Избирательность (частотная селективность).

- Помехоустойчивость, стабильность работы.

- Уровень искажений принимаемых сигналов.

- Динамический диапазон.

- Диапазон принимаемых частот.

- Электромагнитная совместимость.

- Надежность.

- Габариты, вес (особенно актуально на летательных аппаратах).

- Стоимость.

Рассмотрим некоторые из них поподробнее.

Под чувствительностью понимают способность приемника принимать слабые сигналы. Количественно чувствительность оценивается минимальным уровнем принимаемого сигнала, при котором еще обеспечивается нормальное функционирование исполнительного устройства, при заданном отношении сигнал/шум на выходе приемника.

На умеренно высоких частотах чувствительность оценивается минимальной ЭДС или минимальной напряженностью поля, для более высоких частот - минимальной мощностью сигнала на входе приемника.

Различают чувствительность, ограниченную усилением (потенциальную), реальную, пороговую, тангенциальную и максимальную (предельную).

Чувствительность, ограниченная усилением, характерна для приемников со сравнительно малым усилением в условиях, когда собственные шумы мало влияют на прием, т.е. она определяется заданной мощностью на выходе.

Реальная чувствительность учитывает влияние собственных шумов.

Она определяется как минимальный уровень сигнала на входе, реализующий заданное соотношение сигнал/шум, при котором на выходе РПрУ обеспечивается нормальная мощность (50 мВт для аппаратов с номиУстройства приема и обработки сигналов нальной выходной мощностью более 150 мВт и 5 мВт для аппаратов с номинальной выходной мощностью 150 мВт и менее). Для АМ это – дБ, для ЧМ – 26 дБ, для ЧМ - стерео – 36 дБ.

Максимальная (пороговая или предельная) чувствительность отличается от реальной тем, что она измерена при соотношении сигнал/шум на выходе детектора 6 дБ).

Тангенциальная чувствительность (рис. 2.1) используется для оценки приемников импульсных сигналов.

Она равна минимальной мощности сигнала, при которой на экране осциллографа (в эпюре напряжения на выходе детектора) наблюдается совпадение верхней и нижней границы шумов при отсутствии и наличии сигнала.

Иногда для характеристики чувствительности РПрУ вводят оценки коэффициента шума, эквивалентной шумовой температуры и т.д.

Частотной селективностью называется свойство приемника выделять полезный сигнал из множества других сигналов, отличных по частоте.

При оценке селективности по частотной характеристике каскадов РПрУ используют соотношение где K 0 – резонансный коэффициент передачи, K f – коэффициент передачи при заданной расстройке f.

Кривая селективности приведена на рис. 2.2.

Величина характеризует ослабление мешающего сигнала при расстройке.

Идеальной с точки зрения селективности является прямоугольная характеристика, где в полосе приема =0, а за ее пределами.

Можно говорить, что селективность – это функция, обратная к амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) избирательных цепей приёмника. В полосе приёма, для идеального каскада, коэффициент передачи бесконечен, а за её пределами – равен нулю.

Обычно полосу пропускания измеряют на уровне Степень близости реальной характеристики к идеальной оценивается коэффициентом прямоугольности Устройства приема и обработки сигналов где П 0,7 – полоса пропускания на уровне 0.7, П – полоса пропускания при ослаблении Для идеальной характеристики k П 1, а для реальной k П 1.

Иногда в литературе встречается величина, обратная коэффициенту прямоугольности.

При оценке РПрУ одной из основных оценок является селективность по соседнему каналу. В ДВ- и СВ- диапазонах несущие частоты радиовещательных станций распределены с шагом 9 кГц, а в УКВ – кГц. Селективность по соседнему каналу определяется ФСС УПЧ (для супергетеродинов).

Супергетеродинный приемник помимо селективности по соседнему каналу характеризуется селективностью по побочным каналам и прежде всего на частотах зеркального и прямого канала. Эти виды селективности определяются преселектором.

Если для оценки селективности на вход РПрУ подключают один источник сигнала, то в этом случае говорят об односигнальной селективности, которая определяется только линейными селективными цепями.

В реальных условиях на входе РПрУ присутствует несколько сигналов, которые могут взаимодействовать между собой за счет нелинейности приемного тракта.

Для более точной оценки влияния помех, учитывающей нелинейные эффекты при одновременном действии сигнала и помехи, используют многосигнальные методы измерения селективности (в основном двух или трехсигнальный методы) – таким образом, получают реальную селективность (избирательность).

2.3. Искажения принимаемого сигнала Все искажения сигнала, создаваемые РПрУ, можно разделить на линейные и нелинейные.

Линейными искажениями является неточность в передаче соотношений между различными спектральными составляющими сигнала. Степень линейных искажений оценивается по частотным характеристикам отдельных каскадов и всего тракта РПрУ.

Частотная характеристика приемника по всему тракту называется кривой верности или верностью воспроизведения.

По частотной характеристике определяют значения верхних FВ и нижних FН частот пропускания, полосу пропускания F FВ FН, коK Нелинейными искажениями принимаемого сигнала называют эффект появления в выходном сигнале спектральных составляющих, отсутствующих во входном сигнале. Для РПрУ под входным сигналом следует понимать низкочастотное модулирующее напряжение.

Нелинейные искажения оцениваются по следующим параметрам:

– коэффициент нелинейных искажений – коэффициент гармоник – коэффициент интермодуляционных искажений где U1, U2 …- действующие (или амплитудные) значения напряжения первой, второй и т.д. гармоник выходного колебания.

Ряд параметров оценивают степень нелинейных искажений в режиме приема стереофонических сигналов. Сюда относятся переходные затухания, подавление надтональных частот и их комбинаций со звуковыми частотами.

Кроме того, к нелинейным искажениям следует отнести фон сети, генерацию и микрофонный эффект. Их уменьшают различными схемотехническими решениями (для уменьшения фона сети – стабилизаторы питания, для подавления микрофонного эффекта – незначительное, на несколько Гц, изменение частоты сигнала, принятого микрофоном).

Устройства приема и обработки сигналов Динамическим диапазоном РПрУ принято называть отношение максимального входного сигнала к минимальному:

Уровень максимального сигнала ограничен допустимыми нелинейными искажениями, возникающими из-за перегрузки последних каскадов УПЧ. Минимальный уровень входного сигнала определяется чувствительностью приемника.

В современном РПрУ D 60 120 дБ.

Расширение динамического диапазона достигается повышением чувствительности и повышением диапазона действия АРУ.

Диапазоном рабочих частот называется полоса, в пределах которой может перестраиваться РПрУ.

Относительная ширина диапазона оценивается коэффициентом перекрытия Значение k Д ограничено в первую очередь конструктивными возможноC max стями переменного конденсатора, у которого С учетом паразитных емкостей реальное значение k Д 2 3 и уменьшается с ростом частоты.

Часто диапазон частот разбивают на поддиапазоны, при этом, диапазоны частично перекрывают друг друга для обеспечения возможности настроиться на любую частоту в пределах всего диапазона.

Обычно перестраиваются по поддиапазону, используя конденсаторы переменной ёмкости. Но в некоторых приёмниках перестройку осуществляют переменными индуктивностями или связанными индуктивноУчебное пособие стями (вариометры, ферровариометры). Такой способ нашел широкое применение в старых автомобильных приёмниках.

Помехоустойчивость характеризует способность РПрУ обеспечивать прием переданных сообщений с заданной достоверностью.

Для количественной оценки помехоустойчивости используют:

1) при приеме дискретных сигналов – вероятность ошибки при заданном соотношении сигнал/шум;

2) при приеме аналоговых сигналов – требуемое отношение сигнал/шум на входе РПрУ при заданном отношении сигнал/шум на выходе;

3) для телефонных каналов – артикулярный критерий (разборчивость речи);

4) в радиолокации применяют вероятность ложной тревоги. Это вероятность того, что произойдёт фиксация несуществующей цели.

Даже при короткозамкнутом входе приемника или усилителя на их выходе всегда есть напряжение, обусловленное собственными (внутренними) помехами. Эти помехи можно разделить на две основные группы.

К первой группе следует отнести помехи, обусловленные недостаточной фильтрацией пульсаций источника питания и наводки внешних полей. Уровень этих помех можно понизить с помощью схемотехнических или конструктивных решений.

Ко второй группе помех относят собственные флуктуационные шумы, обусловленные тепловыми и электрическими процессами в цепях.

Флуктуационные шумы принципиально неустранимы и являются основной причиной ограничения чувствительности.

Любая цепь, имеющая омическое сопротивление, является источником теплового шума.

Средний квадрат значения ЭДС шума определяется формулой Найквиста для бесконечно малой полосы df где k 1,38 10 23 – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура шумящей цепи, R – омическое сопротивление шумящей цепи.

Устройства приема и обработки сигналов В этом случае шумящую цепь с сопротивлением R можно представить в виде идеального нешумящего сопротивления R и эквивалентного генератора ЭДС dE Ш. Если перейти от генератора ЭДС к генератору тока dI Ш, то шумящая цепь представляется в виде проводимости G, подключенной параллельно генератору тока Для расчетов интерес представляет шумовая ЭДС для полосы, ограниченной частотной характеристикой РПрУ.

Средний квадрат напряжения шума на выходе РПрУ:

где K(f ) – коэффициент передачи избирательного усилителя.

U Ш U Ш, K(f 0 ) — коэффициент передачи на частоте настройки f 0.

Учитывая, что спектр шума в полосе приема является величиной постоK 2 (f ) где П Э df – эффективная шумовая полоса приема.

На практике для одиночного контура обычно ПЭ 1,1 П0,707, для резонансных цепей более высокого порядка ПЭ П0,707.

Тогда используя понятие шумовой полосы пропускания, запишем ЭДС и ток шума следующим образом:

Рассмотрим усилительный каскад с входным сопротивлением RВХ, ко входу которого подключен эквивалентный генератор с внутренним сопротивлением RИ, создающим ЭДС (рис.2.3):

Выделяемая на сопротивлении мощность шума

EШ PШВХ RВХ PШВЫХ RН

В случае согласования (при R И R ВХ ) четырехполюснику отдается максимально возможная мощность шума PШ ВХ. НОМ.

Она называется номинальной мощностью шума источника (на входе), и не зависит от сопротивления источника.

Подставляя (2.1) в (2.2) имеем В реальных условиях усилительный каскад может быть не согласован с источником сигнала ( R И R ВХ ), тогда, введя понятие коэффициента рассогласования можно записать: PШ.ВХ. bPШВХ.НОМ bkTП Э.

На выходе усилителя действует мощность шума PШ.ВЫХ., которая складывается из усиленных шумов источника сигнала PШ.ВЫХ.ИД и собственных шумов усилителя PШ.СОБ. :

Если сам усилитель не шумит, то есть является идеальным с точки зрения шумов, то мощность шума на его выходе где K Р – коэффициент усиления усилителя по мощности.

Отличие PШ.ВЫХ. реального (шумящего) усилителя от PШ.ВЫХ.ИД. – идеального характеризует его шумовые свойства.

Величина, показывающая во сколько раз мощность шумов на выходе реального усилителя РШВЫХ больше мощности шумов на выходе идеального усилителя РШВЫХ.ИД, называется коэффициентом шума Для идеального усилителя Ш 1.

Для однозначности оценки коэффициента шума за источник сигнала условно принимают генератор ЭДС, находящийся при комнатной температуре Т0=293 К (20оС), тогда коэффициент шума – это отношение полной выходной мощности шумов к той части этих шумов на выходе, которая обусловлена тепловым шумом сопротивления источника при комнатной температуре Можно дать иную интерпретацию понятию коэффициента шума. На входе усилителя сигнал присутствует всегда на фоне шумов и характериУчебное пособие зуется отношением. После прохождения усилителя добавляются собственные шумы и соотношение сигнал/шум на выходе будет меньше чем на входе. Коэффициент шума характеризует во сколько раз ухудшается отношение сигнал/шум при прохождении сигнала через усилитель На практике часто коэффициент шума выражают в дБ Наряду с коэффициентом шума широко используется понятие шумовой температуры:

Шумовая температура характеризует собственные шумы и показывает, на сколько градусов должен быть нагрет эквивалент антенны, чтобы вызванные им шумы на входе равнялись собственным шумам. При этом полагается, что сам четырехполюсник не шумит.

Понятие шумовой температуры удобно применять к малошумящим усилителям, коэффициент шума которых близок к единице.

2.7.3. Коэффициент шума пассивного четырехполюсника Эквивалентная схема цепи с пассивным четырехполюсником (ЧП) имеет вид, представленный на рис. 2.4.

Суммарная выходная мощность ЧП с несогласованной нагрузкой где b-коэффициент рассогласования выхода пассивного ЧП со входом последующего активного.

Если ЧП идеальный нешумящий, то при RИ=RВХ Тогда по определению При согласовании ЧП c нагрузкой RВЫХ=RВХ1 и b=1, тогда то есть чем больше коэффициент передачи по мощности пассивного ЧП, тем меньше его коэффициент шума (при КР1, Ш1).

2.7.4. Коэффициент шума многокаскадного усилителя Рассмотрим коэффициент шума многокаскадного усилителя (рис. 2.5), если известны коэффициенты передачи по мощности K Pi и коэффициенты шума Ш i каждого каскада, а также коэффициенты рассогласования b i между каскадами усилителя.

Общий коэффициент усиления по мощности Мощность шума на выходе первого каскада где PШВХ1 b1kTO П Э номинальная мощность источника шума.

Мощность шума на выходе второго каскада Мощность шума на выходе i - го каскада Если бы усилитель сам не шумел, то мощность шума на его выходе была бы равна Тогда согласно определению коэффициента шума:

PШВЫХИД

Выражения для коэффициентов шума отдельных каскадов в соответствии с (2.5) запишутся в виде Для первого каскада Для второго каскада Устройства приема и обработки сигналов Для i-го каскада отсюда С учетом выражений для коэффициентов шума отдельных каскадов получаем (рис. 2.4) Рассмотрим коэффициент перед вторым слагаемым с учетом того, что

Р ШВХНОМ Р НОМ

b1K P1 (Р ШВХ1 Р ШВХ1НОМ )(Р ВЫХ1 Р ВХ1 ) Р ВЫХ2НОМ Р ВЫХ1НОМ К Р1НОМ где КР1Ном – номинальный коэффициент усиления по мощности (при согласовании по входу и выходу) каскада, соответственно тогда Из полученных соотношений следует, что результирующее значение коэффициента шума для многокаскадного усилителя в основном определяется значениями Ш1 и Кр1 первого усилительного каскада.

Для многокаскадных усилителей с учетом (2.6) и (2.8) имеем Шумовые свойства приемника (рис. 2.6), по аналогии с многокаскадным усилителем, оцениваются коэффициентом шума.

Ш ВЦ Ш УРЧ Ш ПЧ ШУПЧ

UВХ ВЦ UВЦ УРЧ UУРЧ ПЧ UПЧ УПЧ UВЫХ

Источником сигнала приемника является антенна.

Для радиотракта можно записать

Ш ПР Ш ВЦ

К рВЦНОМ К рВЦНОМ К рУРЧНОМ К рВЦНОМ К рУРЧНОМ К рПЧНОМ

где Ш ВЦ, Ш УРЧ, Ш ПЧ, Ш УПЧ - коэффициенты шума соответственно входной цепи, УРЧ, преобразователя частоты, УПЧ, К рВЦНОМ, К рУРЧНОМ, К рПЧНОМ, К рУПЧНОМ - коэффициенты усиления по мощности соответственно входной цепи, УРЧ, преобразователя частоты, УПЧ.

Коэффициент шума приемника в значительной степени зависит от того, есть ли УРЧ, или нет, так как Ш УРЧ < ШПЧ.

На выходе приемника сигнал присутствует на фоне шумов и характеризуется отношением По определению, чувствительность приемника - это такая мощность на его входе PCBX PA, при которой на выходе обеспечивается требуевых.

мая мощность при заданном соотношении сигнал/шум Тогда чувствительность, ограниченную внутренними шумами приемника можно записать в виде Устройства приема и обработки сигналов

PСВЫХ PСВЫХ PШВЫХ PШВЫХ

КР К Р PШВЫХ КР

По определению отсюда Подставив (2.12) в выражение (2.11) получим Выражение устанавливает зависимость чувствительности приемника от его коэффициента шума, либо шумовой температуры.

Если чувствительность выражена как ЭДС в цепи антенны, то используя соотношение получим соотношение, описывающее связь чувствительности приемника с его коэффициентом шума или Итак, для “увеличения” чувствительности приемника необходимо:

- уменьшать шумы радиотракта;

- сужать полосу приема;

- уменьшать требуемое значение (за счет применения помехоустойчивых сигналов);

1. К основным показателям приемника относят чувствительность, селективность, помехоустойчивость и степень искажения сигнала, которые в общем случае взаимосвязаны.

2. Чувствительность радиоприемника ограничена либо усилением, либо помехами. Предел чувствительности приемника ограничивается его внутренними шумами.

3. Для повышения чувствительности следует уменьшать шумы радиотракта, использовать помехоустойчивые сигналы, сужать полосу пропускания радиотракта.

4. Уменьшение коэффициента шума радиотракта достигается включением в него малошумящего усилителя радиочастоты, так как результирующий коэффициент шума определяется первыми активными каскадами приемника.

5. Селективность приемника основана на использовании отличительных признаков между сигналами и помехами. Различают пространственные, временную и частотную селективности.

6. При сильных помехах в радиотракте возникают нелинейные эффекты, ухудшающие селективность. Это перекрестная модуляция, блокирование и интермодуляция.

7. Различают одно- и многосигнальную селективность. Односигнальная дает оценку ослабления помех по соседнему каналу, зеркальному и прямому каналам, а также по комбинационным каналам. Многосигнальная (реальная) селективность учитывает нелинейные явления в радиотракте.

8. Повысить реальную селективность можно, уменьшая уровень помех на входе первого активного элемента за счет повышения селективности входных цепей и повышая линейность активного элемента.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Приведите классификацию РПрУ по основному функциональному назначению, по радиодиапазонам, по виду используемой модуляции и т.д.

Изобразите структурные схемы различных вариантов построения Дайте определение основным показателям РПрУ.

Каким соотношением определяется коэффициент шума для супергетеродинного приемника?

Какие меры следует принимать для повышения реальной чувУстройства приема и обработки сигналов ствительности приемника?

Входной цепью (ВЦ) называют пассивную часть схемы радиоприемного устройства (РПрУ), связывающую антенно-фидерную систему (АФ) со входом первого активного элемента (АЭ) – это усилитель радиочастоты (УРЧ) или преобразователь частоты (ПЧ).

Назначение ВЦ – передача полезного сигнала от антенны ко входу первого активного элемента РПрУ и предварительная фильтрация помех от побочных каналов.

ВЦ – это линейный четырехполюсник, представляющий частотноизбирательную систему (ЧИС) и состоящий из одного или нескольких селективных элементов, выделяющих принимаемый сигнал (рис. 3.1).

На рис. 3.1 m – коэффициент связи антенны с ВЦ, а n – коэффициент связи ВЦ с АЭ (нагрузкой).

ВЦ может быть настроена на фиксированную частоту или перестраиваться в пределах заданного диапазона.

В зависимости от вида антенны ВЦ классифицируют как ВЦ с настроенной или ненастроенной антенной.

Антенна считается настроенной, если ее собственная резонансная частота совпадает с частотой настройки ВЦ, в противном случае антенна является ненастроенной.

Основные характеристики ВЦ :

- коэффициент передачи по напряжению, т.е. отношение напряжения сигнала на входе первого каскада U BX к ЭДС в антенне - коэффициент передачи по мощности - полоса пропускания 2f это ширина области частот с допустимой неравномерностью КВЦ (2f);

- селективность - характеризует уменьшение коэффициента передачи при заданной расстройке f (K(f)) по сравнению с его значением при резонансе К О =K(f0) - перекрытие заданного диапазона частот. Перестройка может осуществляться дискретно или плавно. Коэффициент перекрытия диапазона равен - постоянство параметров ВЦ при перестройке по диапазону, при изменении параметров антенны и активного элемента.

ВЦ вместе с усилителем сигналов радиочастоты называют преселектором и они обеспечивают селективность по побочным каналам и общую предварительную фильтрацию помех;

3.2. Особенности входных устройств различных При работе на частотах ниже 100 МГц контур ВЦ реализуют на сосредоточенных LC элементах. Схемы различных ВЦ отличаются друг от друга цепями связи и видами фильтров. В качестве фильтров в ВЦ чаще всего используют одиночные колебательные контуры.

На рис. 3.2-3.6 приведены наиболее часто встречающиеся практические схемы связи ВЦ с антенной и активным элементом.

На рис 3.2,а - приведена схема с трансформаторной связью между контуром ВЦ L К, C K и антенной; и c автотрансформаторной связью с первым активным элементом.

На рис. 3.2,б приведена схема с емкостной связью контура ВЦ с антенной и с автотрансформаторной связью с активным элементом.

Если в качестве активного элемента используется полевой транзистор, то за счет большого входного сопротивления включение контура может быть полным.

На рис 3.3 приведена схема ВЦ и УРЧ. Связь контура ВЦ L К1С К1 c антенной емкостная через ССВА, c нагрузкой - внутриемкостная, через СС ВН. Подстроечные конденсаторы C П С1 и C П С2 введены для компенсации разброса параметров контура L К, C K. Если в качестве активного элемента используется полевой транзистор, то за счет большого выходного сопротивления включение контура может быть полным.

На рис.3.4 приведена схема двухконтурной ВЦ, в которой связь первого контура с антенной трансформаторная. Связь между контурами — внутриемкостная через C CB2 и внешнеемкостная, через C CB1.

Двухконтурная ВЦ позволяет повысить селективность преселектора по побочным каналам, однако требует сложной настройки и сдвоенного КПЕ.

Возможны следующие схемы связи ВЦ с антенной (рис. 3.5).

Наиболее распространена трансформаторная связь (рис. 3.5,а), которая может, как будет показано ниже, работать в режимах удлинения и укорочения.

Автотрансформаторную связь обычно применяют при работе от штыревых антенн (рис 3.5,б). Внешнеемкостная связь (рис. 3.5,в и г) может иметь достаточно высокий коэффициент передачи, но обладает значительной неравномерностью КВЦ по диапазону, поэтому предпочтительна для растянутых диапазонов, а также для ВЦ с индуктивной настройкой. Внутриемкостная связь (рис. 3.5,д) применяется при антеннах с малой емкостью и позволяет реализовать достаточно постоянный коэффициент передачи ВЦ по диапазону. Для получения большего постоянства коэффициента передачи применяют “укорачивающий конденсатор” CУК.

Комбинированная связь (трансформаторная и емкостная, рис. 3.5,е) обеспечивает высокое значение K0, малую неравномерность K0 по диапазону, однако хуже ослабляются высокочастотные побочные каналы.

Подключение к ВЦ нагрузки, как и антенны, приводит к ухудшению селективности ВЦ, уменьшению коэффициента передачи, некоторой расУчебное пособие стройке. Для уменьшения влияния нагрузки на характеристики ВЦ следует выбрать связь между контуром и нагрузкой слабо, (мало) зависящей от частоты, либо с противоположным характером зависимости по отношению к антенне.

Возможны следующие виды связи ВЦ с нагрузкой: а - трансформаторная, б- автотрансформаторная, в- внутриемкостная, г- комбинированная (трансформаторная и внутриемкостная) (рис 3.6).

В схемах рис 3.6, а, б - достаточно постоянный K0(f), недостаток паразитный контур LСВ CН. В схеме рис.3.6, в - нет паразитных контуров, но К0(f) убывает с ростом частоты. Схему рис. 3.6, г - применяют при высоких требованиях к постоянству параметров. На СВЧ применяют ВЦ с контурами на распределенных элементах.

Антенну РПрУ, находящуюся под воздействием электромагнитного поля, можно представить в виде эквивалентного генератора ЭДС E A или тока A (рис. 3.7).

Внутреннее сопротивление генератора ЭДС в общем случае соУстройства приема и обработки сигналов держит активную и реактивную составляющие A rA jx A.

EA IA YA

ЭДС эквивалентного генератора где A - напряженность электрической составляющей поля сигнала в месте приема; h Д -действующая высота антенны.

Параметры эквивалентного генератора тока могут быть выражены так:

где A 1 G A jBA - полная проводимость антенны.

Сопротивление ненастроенной антенны A зависит от частоты, так как антенна представляет собой цепь с распределенными параметрами. Учитывая это разработчик радиоприемника должен обеспечить слабую связь внешней антенны со входной цепью. Если это выполняется, то параметры антенны слабо зависят от ее электрических характеристик и определяются только действующей высотой.

Для обеспечения идентичности измерений ГОСТ 9783-86 рекомендует единый эквивалент, соответствующий наружной антенне высотой 5м, пригодной для диапазона 0.1 30 Мгц. Электрическая схема этого эквивалента показана на рис. 3.8.

В настоящее время в этих диапазонах генераторы отградуированы в напряжении на согласованную нагрузку, равную 50 Ом, поэтому для согласования эквивалента антенны с генератором, имеющим выходное сопротивление R Г =50 Ом, необходимо R1 (см. рис. 3.8) заменить двумя резисторами, как показано на рис 3.9.

Эквивалентная ЭДС, определяющая уровень входного сигнала равна в этом случае показаниям генератора UГ.

При двухсигнальных методах резистор R1 (рис. 3.8) заменяется на четыре резистора, схема соединения которых и номиналы указанны на рис.3.10. Эквивалентная ЭДС, создаваемая каждым из генераторов, равна в этом случае 0,55 U Г.

При измерении параметров приемника, работающего со штыревой антенной, сигнал необходимо подавать к месту соединения штыря через эквивалент антенны, при этом сама антенна должна быть отсоединена.

Схема эквивалента штыревой антенны в диапазоне КВ представлена на рис.3.11. Значение емкости С зависит от длины антенны и емкости корпуса приемника относительно земли. Чем короче антенна и чем меньше габариты корпуса, тем меньше емкость С. Схема соединения эквивалента штыревой антенны с генератором может быть такой же, как и в случае эквивалента наружной антенны (см. рис.3.8).

Устройства приема и обработки сигналов Схема эквивалента штыревой антенны в диапазоне УКВ показана на рис.3.12.

В УКВ - диапазоне измерительные генераторы могут иметь внутреннее сопротивление 75 Ом или 50 Ом. Схема соединения эквивалента штыревой антенны в диапазоне УКВ приведена на рис.3.13.

Значения элементов эквивалента и схемы соединения, зависят от диапазона частот, размеров корпуса и внутреннего сопротивления генераторов.

RЭ - меняется от 14 до 32 Ом, СЭ - от 5.8 до 8.3 пФ, LЭ - от 0.34 до 0.78 мкГн, R1 - от 20 до 50 Ом, б) - с двумя генераторами Для расчета эквивалентной ЭДС в эквиваленте штыревой антенны необходимо показания генератора умножить на r для односигнального Устройства приема и обработки сигналов метода либо на r/2 для двухсигнального метода, где r=R2/(R1+R2).

Если в УКВ - диапазоне используется настроенная антенна, то при измерениях генератор с выходным сопротивлением 75 Ом подключают непосредственно ко входу приемника.

При двухсигнальном методе измерения генераторы RГ =75 Ом подключают по схеме рис. 3.14.

Если генератор имеет внутреннее выходное сопротивление Rг = 50 Ом, то необходимо все подключения выполнять через специальные переходные устройства с 50 на 75 Ом, входящие в состав генератора, или последовательно генератору включить сопротивление 25 Ом, при этом схемы подключения те же.

Эквивалент автомобильной антенны в диапазонах ДВ, СВ, КВ (рис. 3.15) отличается от эквивалента штыревой антенны в диапазоне КВ наличием емкости С2, которая учитывает эквивалентную емкость кабеля и держателя антенны.

Схемы подключения генератора к данному эквиваленту антенны аналогичны ранее рассмотренным.

В диапазоне УКВ схема эквивалента автомобильной антенны и схема подключения одного генератора показаны на рис 3.16. При двухсигнальных методах измерения перед эквивалентом антенны включается цепочка резисторов согласно рис 3.14.

3.4. Анализ обобщенной эквивалентной схемы Различные схемы одноконтурных ВЦ отличаются главным образом способами связи колебательного контура с антенной и с первым активным элементом приемника. Общие соотношения, характеризующие работу одноконтурных ВЦ на данной частоте, не зависят от видов связи контура. Рассмотрим основные количественные характеристики ВЦ на примере эквивалентной схемы рис. 3.17.

Антенно-фидерная система представлена в виде генератора тока Устройства приема и обработки сигналов с активной G A и реактивной B A проводимостями, которые включают в себя параметры элементов связи антенны с контуром ВЦ Вход первого активного элемента приемника представлен проводимостью BX G BX jBBX.

На схеме показано автотрансформаторное подключение контура к антенной цепи и ко входу последующего каскада с коэффициентами включения При этом в контур вносятся трансформируемый ток A m A и проводимости С учетом вносимых проводимостей и трансформируемого тока эквивалентную схему преобразуем к виду рис. 3.18.

Эквивалентная реактивная проводимость контура в этом случае будет равна Это означает, что параметры контура зависят от параметров антенны и нагрузки.

При резонансе BЭ = 0. Эквивалентная активная составляющая проводимости контура будет равна где G d К d C - собственная активная проводимость контура, определяемая его конструктивным затуханием. Тогда эквивалентную схему ВЦ можно представить в более простом виде (рис. 3.19), где напряжение на контуре YЭ GЭ jBЭ - полная проводимость эквивалентного контура 0 -резонансная частота настройки контура, d Э G Э G 0 m2G A n 2G BX -эквивалентное затухание контура.

Тогда напряжение на входе первого каскада приемника равно а комплексный коэффициент передачи:

На резонансной частоте, когда Уравнение частотной характеристики цепи можно записать в виде При малых расстройках, пренебрегая зависимостью m, n и Z A от частоты, получаем что совпадает с уравнением частотной характеристики одиночного контура.

Полоса пропускания на уровне 0. Фазо-частотная характеристика входной цепи определяется соотношением Рассмотрим более подробно выражение (3.2) для коэффициента передачи ВЦ на частоте резонанса.

Значения m и n оказывают на коэффициент передачи двоякое влияние. Если уменьшать m, то уменьшается числитель, но одновременно контур меньше шунтируется проводимостью антенной цепи G A, что учитывает m 2 в знаменателе. Аналогично влияет значение коэффициента n.

Введем обозначение: коэффициент шунтирования где dК – конструктивное затухание контура.

Рассмотрим условия максимума K O при D const. Из (3.3) найдем Подставив в (3.4) получим Исследуя данное выражение на экстремум dK 0 0 найдем значеdn ние n О П Т, при котором K O имеет максимум Устройства приема и обработки сигналов Аналогично может быть найдено значение m О П Т, при котором K O максимален С учетом полученных значений m О П Т и n О П Т получим значение K O из (3.4) Коэффициент передачи K O максимален при одинаковом шунтировании контура как со стороны цепи антенны, так и со стороны первого каскада, т.е. когда При работе с настроенными антеннами необходимо согласовать цепь антенны со входом приемника. Условием согласования является равенство проводимости m 2 G A, вносимой из антенны в контур, собственной проводимости контура G 0 с учетом влияния проводимости входа последующего каскада n 2 G вх, т.е.

Отсюда необходимый для согласования коэффициент включения Тогда резонансный коэффициент передачи в режиме согласования где a m m cо г л - относительный коэффициент связи.

Зависимость K o представлена на рисунке 3.20,а, из которой следует, что при отклонении связи от оптимальной в 2 раза коэффициент передачи уменьшается только на 20%.

Как следует из (3.6), коэффициент передачи входной цепи в режиме согласования зависит от коэффициента n, значение, которого найдем из условия получения заданного результирующего затухания контура:

где вносимого затухания со стороны последующего каскада.

Зависимость d э d от a m m cо г л представлена на рис. 3.20,б.

При увеличении связи контура с антенной затухание быстро возрастает, а селективность уменьшается. При согласовании a отсюда где D d э d k коэффициент шунтирования, определяющий допустимое увеличение затухания нагруженного контура.

Подставив значение Отсюда следует, что контур надо выполнять с возможно меньшими собственными затуханиями.

Если первый каскад приемника выполнен на биполярных транзисторах то, как правило имеет место условие D 2,тогда при этом пренебрегая собственными затуханиями контура d k, получим dэ 2n 2 G ВХ.

Если первый каскад приемника выполнен на полевом транзисторе, то, обычно В этом случае затухание контура не зависит от поэтому берут n 1, при этом 3.6. Входные цепи при работе с ненастроенными антеннами Ненастроенные антенны применяются в диапазонах ДВ, СВ, КВ.

Поскольку ненастроенная антенна помимо активного сопротивления обладает реактивным, она вносит потери и расстройку во входной контур.

Эта расстройка различна для различных антенн. Для уменьшения влияния параметров антенн на входную цепь следует выбирать слабую связь, из условия допустимой расстройки контура. Обычно стремятся выбрать связь с антенной так, чтобы вносимые затухания были не более 1020% от собственных. Однако коэффициент передачи входной цепи при этом получается небольшим.

В указанных диапазонах плавная настройка входной цепи осуществляется, как правило, емкостью С k, а полная емкость контура равна Резонансный коэффициент передачи входной цепи определяется в соответствии с выражением (3.2) Рассмотрим некоторые распространенные схемы входных цепей.

3.6.1. Входная цепь с трансформаторной связью с антенной В данной схеме (рис. 3.21) коэффициент трансформации со стороны антенны равен а эквивалентное резонансное сопротивление тогда Поскольку антенна ненастроенная, пренебрегаем активными потерями в антенной цепи, тогда где A -собственная угловая частота антенной цепи.

Подставив значение Z A в выражение для K 0, имеем Из последнего выражения следует, что изменение коэффициента передачи будет различным в зависимости от соотношения A. Рассмотрим возможные случаи.

1) Собственная частота антенны превышает верхнюю частоту поддиапазона, т. е. fA fmax. Такую антенну называют укороченной, а режим работы - с верхней настройкой антенной цепи (рис. 3.22).

В таком режиме K 0 резко возрастает с ростом частоты, т. к. одновременно увеличивается Неравномерность коэффициента передачи по поддиапазону 2. Собственная частота антенны ниже минимальной частоты подУстройства приема и обработки сигналов диапазона, т. е. f A f min. Такую антенну называют удлиненной, а режим работы - с нижней настройкой антенной цепи (рис. 3.23).

В этом случае резонансный коэффициент передачи меняется не так резко как в первом случае, т.к. с ростом частоты R оэ увеличивается, а Z A уменьшается.

Если n=const и Q=const, то K0 const. Выражения (3.7) и (3.8) получены при условии, что нагрузка не влияет на работу контура. Селективность при больших расстройках определяется выражением 3. Собственная частота антенны находится в рабочем диапазоне чаfmin fA fmax, рис. 3.24.

стот приемника В этом случае коэффициент передачи сильно зависит от частоты, поэтому такой режим на ДВ, СВ и КВ обычно не используют. Его используют для профессиональных приемников с растянутыми диапазонами.

3.6.2. Входная цепь с емкостной связью с антенной В этом случае антенна соединена со входной цепью через конденсатор CP (рис 3.25). Чтобы параметры антенны мало влияли на настройку контура, емкость должна быть достаточно малой.

Общая емкость, состоящая из последовательной цепи C ан т и C р, также будет мала. Обозначим Реактивное сопротивление которыми пренебрегаем. При этих допущениях

CK UВЫХ

В выражение для коэффициента передачи подставим Неравномерность коэффициента передачи по поддиапазону Квадратичная зависимость от частоты объясняется тем, что с увеличением частоты одновременно увеличивается 1/|ZA0| и R э (рис. 3.22).

3.6.3. Входная цепь с внутриемкостной связью с антенной В данной схеме (рис 3.26) антенна подключена к контуру через делитель, образованный C св и C Ck Cвх.

Для реализации слабой связи с антенной принимают Cсв C.

Результирующая емкость контура Коэффициенты включения Пренебрегая активным сопротивлением антенны, запишем где - собственная угловая частота антенной цепи.

Видим, что резонансный коэффициент передачи зависит от соотношения 2.

Для укороченной антенны, когда 2 A 2 0 имеем При Q э const, K 0 не зависит от частоты (рис. 3.23).

Иногда для выполнения условия через укорачивающую емкость C у рис. 3.26.

Входную цепь с внутриемкостной связью с антенной необходимо использовать при большом входном сопротивлении последующего каскада.

Селективность при больших расстройках определяется по формуле 3.6.4. Входные цепи с магнитной антенной На рис.3.27 представлена схема входной цепи с рамочной антенной, где Э.Д.С. E A зависит от угла между плоскостью рамки и направлением прихода сигнала EA EA 0 cos.,где EA 0 ch д - Э.Д.С. сигнала, приходящего в направлении плоскости рамки,. С – чувствительность.

LСВ LК UВЫХ

Действующая высота антенны hД зависит от площади рамки Sр и числа витков NB:

где -длина волны.

Коэффициент передачи входной цепи с рамочной антенной определяется выражением, аналогичным выражением для входной цепи с трансформаторной связью Для уменьшения размеров рамки применяют сердечник из феррита (рис.3.28).

где д -магнитная проницаемость сердечника, -коэффициент, определяемый формой катушки и ее положением на сердечнике.

Антенная катушка обычно используется и в качестве индуктивности входного контура, (рис. 3.28).

Устройства приема и обработки сигналов Коэффициент передачи входной цепи В приемниках с ферритовой антенной чувствительность принято выражать в единицах напряженности поля, мкВ/м.

Коэффициент передачи входной цепи по полю Если в качестве первого каскада приемника в схеме (рис 3.29) используется полевой транзистор, то n 1 и при расчетах можно учитывать лишь вносимую емкость Использование биполярного транзистора в первом каскаде радиоприемного устройства влияет на характер зависимости K 0 от частоты из-за вносимого в контур затухания.

Так, для автотрансформаторной связи с первым каскадом (см. рис. 3.2, 3.28, 3.29) в контур вносится затухание n 2G вх. Это означает, что с ростом частоты Q э уменьшается, так как Внутриемкостная связь с первым каскадом может применяться для компенсации возрастания K 0 с увеличением частоты.

Рассмотрим внутриемкостную связь с первым каскадом при трансформаторной связи с антенной (рис.3.21).

Таким образом K 0 не зависит от 0 и пропорционален Q э.

Устройства приема и обработки сигналов т.е. при внутриемкостной связи эквивалентное затухание контура уменьшается с ростом частоты, Q э - увеличивается, а это значит, что K 0 возрастает с ростом частоты. Однако заметим, что возрастание K 0 незначительно.

Внутриемкостная связь с нагрузкой может применяться и при емкостной связи с антенной, как показано на рис.3. Полосовой фильтр во входной цепи применяется в тех случаях, когда необходимо получить высокую избирательность и одновременно хорошую равномерность K 0 в заданной полосе приема. Получение хорошей равномерности K 0 возможно при комбинированной связи между контурами, например, внутренняя и внешнеемкостная или внутриемкостная и трансформаторная. На рис.3.30 приведена схема внутри и внешне емкостной связи между контурами.

Связь первого контура фильтра с антенной выполняют также как в одноконтурных входных цепях.

Для определения резонансного коэффициента передачи K 0 надо в формулах для определения K 0 (3.6) и (3.9) заменить Q э на резонансный коэффициент передачи фильтра K ф0.

Для двухконтурной входной цепи в общем случае имеем:

где - обобщенный коэффициент связи контуров фильтра, 3.9. Входные цепи при работе с настроенными антеннами Настроенные антенны применяются, как правило, на сверхвысоких частотах (СВЧ), а также с профессиональными приемниками, например, на коротковолновых магистральных линиях.

При этом стремятся обеспечить наилучшую передачу мощности от антенны к первому активному элементу. Максимальная передача мощности будет при согласовании антенны с фидером, а фидера - со входом приемника.

Для входной цепи, работающей с согласованной фидерной линией, полностью применимы результаты анализа обобщенной эквивалентной схемы, выполненного в 3.4 и рассмотрения, проведенного в 3.5.

Так, согласование фидера со входом приемника при заданном коэффициенте шунтирования (коэффициенте расширения полосы) достигается выбором коэффициентов трансформации Резонансный коэффициент передачи при согласовании определяется выражением:

Возможны различные схемы согласования фидера со входом приемника: автотрансформаторная (рис.3.31), трансформаторная, с емкостным делителем. При использовании экранированного фидера все схемы согласования практически равноценны.

Устройства приема и обработки сигналов 3.9.1. Схема с автотрансформаторным согласованием Данная схема (см. рис.3.31) используется при несимметричном типе фидера (коаксиальном).

Согласование достигается соответствующим выбором величины коэффициента где L1 — индуктивность части контурной катушки между точками подключения антенного фидера;

M1 — взаимная индукция между точками подключения фидера и всеми витками контура.

Для данной схемы также справедливы все выводы, полученные при рассмотрении эквивалентной схемы, с учетом того, что X A 0, 3.9.2. Схема с трансформаторным согласованием Схема с трансформаторным согласованием (рис.3.32; 3.33) наиболее гибкая. Она может применяться как при симметричном, так и при несимметричном типе фидера В схеме (см. рис.3.32) катушки разделены электростатическим экраном, устраняющим передачу сигнала от антенно-фидерной системы к контуру за счет распределенной емкости между витками катушки связи и контура, как показано на рис.3.33. Эта емкость может нарушить симметрию входа приемника.

Для рассматриваемой схемы Определим коэффициент связи, необходимый для согласования.

Для этого выразим k св из последнего выражения Устройства приема и обработки сигналов Здесь учтено, что m Затухание контура с учетом вносимой проводимости со стороны нагрузки отсюда Конструктивно выполнимый k св.с не превышает 0,50,6, поэтому надо выбрать Lсв так, чтобы согласование достигалось при возможно меньшем значении k св.с. Для определения условия минимума k св.с решим уравнение В результате получим Подставив найденное значение Lсв в выражение для коэффициента связи найдем минимальный согласующий коэффициент связи Цепь с емкостным делителем рис. 3.34 используется при несимметричном фидере. Контур образован индуктивностью Lk и емкостью где C2 C2 Cвх, C L — межвитковая емкость катушки Lk.

Коэффициенты включения при этом m n 1.

Если m выбрано из условия согласования, то тогда n 1 m согл.

Достоинством рассматриваемой входной цепи является возможность использования ее на более высоких частотах, так как 3.10. Входная цепь с электронной перестройкой Настройка контура входной цепи может осуществляться электронным способом с помощью варикапа.

Достоинствами электронного способа перестройки являются:

1. Высокая скорость перестройки.

2. Высокая устойчивость по отношению к климатическим и механическим воздействиям.

3. Возможность реализации дистанционного управления.

4. Простота реализации необходимого закона изменения частоты.

Устройства приема и обработки сигналов Принципиальная схема одноконтурной входной цепи с электронной перестройкой с помощью варикапа изображена на рис. 3.35.

Связь контура Lk Ck с антенной - емкостная через C p, с нагрузкой - трансформаторная. Емкость варикапа зависит от постоянного напряжения U у. Варикап позволяет реализовать изменение емкости контура примерно в 25 раз. Так как зависимость C f U - нелинейная, то прием сигнала или помехи вызовет нелинейные процессы.

При появлении сигнала среднее значение емкости варикапа будет несколько больше значения емкости при отсутствии сигнала. Это приводит к частотной расстройке контура. Эта частота расстройки зависит не только от уровня сигнала, но и от уровня помех.

Неустойчивость характеристик входной цепи, обусловлена регенерацией сигнала. Из теории нелинейных электрических цепей известно, что при параметрическом изменении емкости контура с частотой в 2 раза выше частоты сигнала происходит компенсация потерь в контуре. Такое параметрическое изменение может происходить как под действием сигнала, так и под действием помехи.

Допустимое напряжение помехи на варикапе, при котором Q k изменится не более чем на 16%, равно U п.доп 1,25 U у Q k.

В диапазонах ДВ, СВ, КВ уровень помех может быть достаточно большим, поэтому при электронной перестройке в антенной цепи необходимо предусмотреть возможность подавления помехи.

В диапазоне УКВ уровни внешних помех достаточно малы и специальных мер по их подавлению не требуется.

Допустимое напряжение на зажимах контура можно увеличить путем встречно-последовательного включения. Встречное включение варикапов уменьшает также нелинейные явления в контуре. Так как при полной симметрии характеристик варикапов четные гармоники напряжений будут взаимно компенсироваться.

1. Входная цепь (ВЦ) связывает антенно-фидерную систему со входом первого активного каскада, которым может быть усилитель радиочастоты (УРЧ), преобразователь частоты или детектор.

2. ВЦ предназначена для предварительного выделения принимаемого сигнала из всей совокупности сигналов, поступающих в антеннофидерную систему, и для передачи энергии полезного сигнала ко входу первого активного каскада с наименьшими потерями и искажениями.

3. ВЦ обеспечивает общую фильтрацию помех и избирательность приемника по побочным каналам.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назначение и основные характеристики ВЦ.

2. Почему настройка контура ВЦ с помощью переменной емкости предпочтительнее настройки переменной индуктивностью?

3. Нарисуйте схемы ВЦ с разными видами связи контура с антенной и объясните назначение элементов.

4. Составьте эквивалентные схемы ВЦ с различными видами связи контура с антенной.

5. Какими параметрами определяется коэффициент передачи ВЦ?

Условия получения максимального коэффициента передачи ВЦ.

6. Условия согласования антенны со входом приемника.

7. Из каких соображений выбирается связь входного контура с настроенной антенной? Схемы связи.

8. Из каких соображений выбирается связь входного контура с ненастроенной антенной? Почему? Схемы связи.

9. От чего зависит избирательность ВЦ?

10. От чего зависит ширина полосы пропускания ВЦ?

11. Как выбирается связь входного контура с АЭ?

Устройства приема и обработки сигналов Усиление модулированных несущих колебаний в приемнике осуществляется усилителями радиочастоты (УРЧ), т.е. на частоте принимаемого сигнала.

В литературе усилители радиочастоты называют усилителями преселекторов (УП), усилителями сигнальной частоты (УСЧ) и усилителями высокой частоты (УВЧ). При отсутствии специальных оговорок — все определения равнозначны.

В состав усилительного каскада входят: усилительный прибор, избирательная цепь (не обязательно), цепи связи. В качестве усилительного прибора могут использоваться биполярные и полевые транзисторы, электронные лампы, туннельные диоды, интегральные схемы, параметрические и квантово-механические приборы и т. д.

Для получения большого коэффициента усиления используются многокаскадные усилители. Усилители могут быть резонансные и апериодические, однако следует иметь в виду, что апериодические усилители имеют относительно малый коэффициент усиления по сравнению с резонансными.

Резонансные усилители делятся на две группы: усилители с постоянной настройкой и усилители с переменной настройкой.

В зависимости от числа контуров в составе избирательной цепи усилителя различают одноконтурные, двухконтурные и многоконтурные усилители.

В зависимости от отношения полосы пропускания f к частоте настройки f 0 различают широкополосные (при f f0 0,2 ) и узкополосные (при f f0 0,2 ) резонансные усилители. Обращаем внимание на то, что понятия «широкополосный» и «узкополосный» условны, поэтому в литературе могут встречаться другие их толкования.

Известна связь между полосой пропускания одиночного контура fk и его добротностью Q k Реализуемая добротность контура - ограничена, поэтому получить полосы меньше, чем определяемые конструктивной добротностью, невозможно.

Для построения широкополосных (не перестраиваемых) усилителей могут использоваться многокаскадные усилители с расстроенными контурами.

4.1. Основные показатели усилителей радиочастоты Резонансный коэффициент усиления по напряжению равен отношению выходного U 02 ко входному U 01 напряжению на резонансной частоте Коэффициент усиления мощности равен отношению мощности, потребляемой нагрузкой к мощности, отдаваемой усилителю G н - активная составляющая проводимости нагрузки;

где G вх - активная составляющая входной проводимости усилителя Избирательность усилителя, которая определяется типом избирательной цепи и ее параметрами. Она характеризуется полосой пропускания, коэффициентом прямоугольности, степенью подавления побочных каналов.

Коэффициент шума – определяющий шумовые свойства УП.

Искажения сигнала, которые подразделяются на линейные и нелинейные.

Устойчивость работы усилителя характеризуется способностью усилителя сохранять свои параметры в условиях эксплуатации.

Полоса пропускания.

В усилителях радиочастоты применяют в основном два варианта Устройства приема и обработки сигналов включения биполярного транзистора: с общим эмиттером (ОЭ) и с общей базой (ОБ); для полевых транзисторов — с общим истоком (ОИ) и с общим затвором (ОЗ).

Усилители с общим эмиттером (истоком) в диапазонах метровых и более длинных волн позволяют получить наибольшее усиление мощности.

Усилители с общей базой (затвором) отличаются большей устойчивостью, поэтому используются в более высокочастотном диапазоне.

Принципы построения и анализ резонансных усилителей идентичны для различных типов усилительных приборов и вариантов их включения.

Рассмотрим некоторые схемы.

На рис.4.1 приведена схема апериодического резистивного усилителя радиочастоты на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ, который может использоваться в диапазонах ДВ и СВ.

С повышением частоты увеличивается влияние проводимостей транзистора. Для уменьшения их влияния значение Rк выбирают по возможности минимальным, вплоть до Rк = 100...300 Ом. Возможно включение последовательно с Rк корректирующего дросселя Lдр. Рабочая точка транзистора определяется резисторами базового делителя RБ1, RБ2 и RЭ. Сопротивление RЭ также осуществляет термостабилизацию УРЧ (ООС по постоянному току). Емкость C э устраняет отрицательную обУчебное пособие ратную связь по переменной составляющей. Цепочка R ф Cф образует фильтр по цепи питания. Емкости CP являются разделительными.

Схема резонансного усилителя на биполярном транзисторе с ОЭ представлена на рис.4.2.

Селективным элементом усилителя является одиночный контур, состоящий из катушки индуктивности Lk и емкости C k.

Особенностью резонансных усилителей на биполярных транзисторах является частичное включение контура как ко входу, так и к выходу активного элемента, что обусловлено большими значениями входных и выходных проводимостей транзисторов. Выбор коэффициентов включения m и n производится из соображений получения заданного коэффициента усиления, устойчивости, селективности, неравномерности зависимости коэффициента усиления в заданной полосе, и в общем случае компромиссно.

На рис.4.3 приведена схема резонансного усилителя по схеме с ОЭ и трансформаторным включением контура в коллекторную цепь транзистора. В этой схеме напряжение питания не приложено к контуру, что повышает надежность его работы.

Устройства приема и обработки сигналов Резисторы RЭ1 и RЭ2 осуществляют термостабилизацию. При этом на RЭ1 реализуется ООС по переменному току. СЭ устраняет ООС по переменному току на RЭ2.

В данной схеме достаточно просто повысить равномерность К О в поддиапазоне, если применить трансформаторно-емкостную связь контура с коллектором транзистора (введя емкость CСВ).

При использовании полевых транзисторов наибольшее распространение получила схема с общим истоком, изображенная на рис.4.4. Полевые транзисторы по сравнению с биполярными позволяют получить большее усиление напряжения и мощности, обладают более высокой устойчивостью, меньшим уровнем собственных шумов, более высокими частотными свойствами.

Назначение схемных элементов аналогично рассмотренному в предыдущей схеме. Резистор RИ служит для создания напряжения смещения на затворе и для термостабилизации тока стока; резисторы R З1, RЗ2 - для подачи напряжения смещения на затвор.

RИ СИ СИ

Поскольку полевые транзисторы обладают высоким входным сопротивлением, применяют полное включение контура в цепь затвора.

Полного включения в цепь стока обычно не используют по соображениям устойчивости.

В данной схеме используется последовательное питание стока через RФCФ и LК. Возможно и параллельное питание активного элемента.

На рис.4.5 приведена схема селективного усилителя на полевом транзисторе с параллельным питанием стока.

Сопротивление RC выбирают значительно большим, чем эквивалентное сопротивление контура, если при этом напряжение питания транзистора оказывается недостаточным, вместо резистора RC может быть включен дроссель с индуктивностью LДР намного выше LК.

Поскольку напряжение питания не приложено к контуру, то надежность схемы считается высокой, так как изменение постоянной составляющей тока стока не может изменить настройку контура; упрощается коммутация многодиапазонных схем. Недостатком схемы является шунтирование контура резистором RC.

На частотах выше 30 МГц в усилителях радиочастоты часто применяют включение транзистора по схеме с ОБ (ОЗ). Одна из таких схем приведена на рис. 4.6.

УРЧ с ОБ имеют меньшее усиление по сравнению с УРЧ по схеме с ОЭ из-за меньшего RВХ. На достаточно высоких частотах УРЧ с ОБ может быть эквивалентен или даже более эффективен, чем УРЧ с ОЭ, так как в УРЧ с ОЭ с ростом частоты быстро падает коэффициент усиления.

Назначение элементов схемы не отличается от рассмотренных выше. Контур усилителя полностью включен в выходную цепь транзистора (m=1) и автотрансформаторно - во входную цепь следующего каскада.

Основная особенность схемы с ОБ состоит в том, что вся переменная составляющая коллекторного тока протекает по цепи предыдущего каскада через контур LК ВХ CК ВХ, что определяет стопроцентную обратную связь. Это увеличивает входную проводимость каскада (YВХ Б = Y21= S), что вызывает шунтирование входного контура LК ВХ CК ВХ и приводит к повышению устойчивости и снижению коэффициента шума. С другой стороны, увеличение входной проводимости приводит к потреблению значительной мощности сигнала, в результате при одинаковом, по сравнению с УРЧ с ОЭ, коэффициенте передачи по напряжению каскад с ОБ дает меньшее усиление по мощности. Данные выводы относятся и к схеме с ОЗ.

На рис. 4.7 приведена схема УРЧ с ОБ с электронной настройкой при помощи варикапов VD1-VD4. Варикапы включены встречнопоследовательно для уменьшения влияния нелинейности их характеристик.

Часто УРЧ строят по каскодной схеме, которая содержит два активных элемента с непосредственным включением. Лучшим считается сочетание ОЭ-ОБ (ОИ-ОЗ). Схема каскодного усилителя приведена на рис.4.8.

Для схемы на рис.4.8 питание транзисторов VT1, VT2 по постоянному току осуществляется последовательно, при этом требуется вдвое большее напряжение источника питания, чем для УРЧ на одном транзисторе.

Устройства приема и обработки сигналов Транзисторы VT1 и VT2 можно рассматривать как один эквивалентный транзистор (на схеме показан штриховой линией), при этом схема обладает следующими свойствами:

- малой внутренней обратной связью, примерно на два порядка ниже, чем в УРЧ с ОЭ, что позволяет получить более высокий коэффициент устойчивого усиления;

- коэффициент усиления напряжения равен коэффициенту усиления напряжения второго каскада - коэффициент усиления мощности равен коэффициенту усиления мощности первого каскада - коэффициент шума равен коэффициенту шума первого каскада - выходная проводимость каскодной схемы меньше выходной проводимости УРЧ с ОЭ, что позволяет применить полное включение контура в цепь коллектора VT2 и обеспечить высокую селективность;

- входная проводимость каскада такая же, как и у схем с ОЭ.

Таким образом, каскодная схема позволяет сохранить преимущества УРЧ с ОБ, исключив ее недостатки. Аналогичные выводы распространяются на каскодную схему на полевых транзисторах.

На рис.4.9 показан вариант каскодной схемы с параллельным питанием двух каскадов, что требует меньшего напряжения питания. В данной схеме сочетание полевого и биполярного транзисторов обеспечивает большое усиление мощности и высокое входное сопротивление. Каскодные схемы широко используются в интегральном исполнении.

В УРЧ, выполненных на интегральных схемах, применяют дифференциальные каскады. Дифференциальный каскад состоит из двух симметричных половин, каждая из которых включает транзистор и коллекторный резистор (рис. 4.10). Элементы VT1, VT2, RК1 и RК2 образуют мостовую схему.

При работе от дифференциального входа UВХ Д на транзисторы подают равные и противоположные по фазе сигналы. При этом изменение токов и коллекторных напряжений транзисторов имеют противоположный характер, в результате с коллекторов снимают разностное напряжение UВЫХ.

При синфазной подаче сигнала UВХ С, которая может быть вызвана наводками, нестабильностью питающего напряжения, изменением темУстройства приема и обработки сигналов пературы и т. д., токи транзисторов и потенциалы коллекторов изменяются одинаково и синфазная составляющая не усиливается UВЫХ =0. Значительное ослабление синфазной составляющей может быть достигнуто только в интегральном исполнении дифференциального каскада.

Дифференциальный каскад универсален, так как может выполнять функции усиления, детектирования, преобразования частоты, ограничения, регулировки усиления и др. В связи с этим дифференциальный каскад широко используется в интегральном исполнении, в частности в 174, 175, 157 и других сериях, предназначенных для использования в приемно-усилительной аппаратуре. Широко он используется и в дискретном исполнении.

4.3. Анализ обобщенной эквивалентной схемы УРЧ В режимах малых сигналов усилительный прибор (транзистор) можно представить в виде модели активного линейного четырехполюсника (рис.4.11).