Устройство радиоприемных устройств

1. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ И ИХ ОСОБЕННОСТИ РПУ — устройство, предназначенное для приема сообщений, передаваемых с помощью электромагнитных волн в радиочастотном и оптическом диапазонах. В соответствии с занимаемым в радиоканале местом РПУ должен обеспечивать 4 основные функции:

1. выделение полезного сигнала из смеси с шумом или другими мешающими сигналами;

2. усиление полезного сигнала;

3. ослабление мешающего действия помех, присутствующих во входных колебаниях;

4. детектирование радиочастотных сигналов с целью формирования колебаний, соответствующих передаваемому сообщению.

Структурная схема РПУ.

УТ — усилительно-преобразовательный тракт, служит для выделения полезных сигналов из всей совокупности поступающих от антенны сигналов и помех и усиление энергии сигнала до уровня, необходимого для нормальной работы последующих каскадов. Этот тракт является линейным по отношению к первичному сигналу ИТ — информационный тракт, осуществляет основную обработку сигнала с целью выделения содержащей в нем информации (демодуляция), а также ослабление мешающего воздействия помех. Задачей ИТ является выделение информации с максимальной достоверностью (оптимальный прием). Для этого в составе ИТ предусматриваются оптимальный фильтр, цепи последетекторной обработки, следящие системы ЧАПЧ и ФАПЧ. ГТ — гетеродинный тракт преобразует частоту собственного или внешнего опорного генератора и формирует сетки частот, необходимые для работы преобразователей частоты в УТ, следящих систем и устройств обработки сигнала в ИТ. Зачастую это сложное самостоятельное устройство — синтезатор частот (СЧ).ТАУК — тракт адаптации, управления и контроля предназначен для ручного, дистанционного и автоматизированного управления режимом работы РПУ, а также для отражения качества его работы на соответствующих индикаторах. ОУ — оконечное устройство, где энергия выделяемого сигнала используется для получения требуемого выходного эффекта — акустического, оптического, механического. ВИП — вторичный источник питания, преобразует энергию первичного источника в форму, удобную для использования непосредственно в РПУ. Поскольку прием полезных сигналов всегда осуществляется в условиях воздействия недетерминированных, непредсказуемых помех, функционирование приемной подсистемы носит стохастический характер. В системах радиосвязи часто используется прием многоканальных сообщений. В РПУ таких систем имеется дополнительный тракт разделения каналов с последующими ОУ в каждом канале. Рассмотренная структурная схема является наиболее обшей, однако в конкретных РПУ отдельные связи между трактами и даже некоторые тракты могут отсутствовать или выполнять более ограниченный набор функций.

2. ЧАСТОТНЫЕ ДИАПАЗОНЫ, СИГНАЛЫ, ПОМЕХИ В соответствии с рекомендациями Международного консультативного комитета по радио (МККР) при построении радиосистем передачи используется спектр радиочастот, разделенный на 9 диапазонов. Современные РПУ работают во всех радиодиапазонах, из которых наиболее широко используются диапазоны от НЧ до КВЧ включительно, а также на инфракрасных и видимых волнах оптического диапазона.

Приемники различных диапазонов могут существенно отличаться по структуре, схемной и конструктивной реализациям, элементной базе, однако существуют РПУ, которые обеспечивают прием в нескольких диапазонах («всеволновые»). Приемники звукового вещания работают в диапазонах волн: длинных (ДВ; 114), средних (СВ; СЧ), коротких (KB; ВЧ), ультракоротких (УКВ; ОВЧ), дециметровых (ДМВ; УВЧ). Вещательные телевизоры осуществляют прием программ наземных телевизионных систем в метровом и дециметровом диапазонах. В дециметровом и сантиметровом диапазонах работают РПУ радиорелейных и спутниковых систем связи и телевизионного вещания. Приемники систем прямой межспутниковой связи и телевизионных систем высокой четкости должны обеспечивать прием на миллиметровых, децимиллиметровых и оптических волнах.

По виду принимаемых сигналов приемники делят на два класса: непрерывных (аналоговых) и дискретных сигналов. По виду принимаемой информации различают РПУ радиотелефонные, звукового вещания, факсимильные, телевизионные, радиотелеграфные, передачи данных и др. Существуют, особенно в системах радиосвязи, РПУ, предназначенные для приема информации различных видов. В зависимости от вида используемой модуляции (манипуляции в случае дискретных сигналов) бывают приемники амплитудно-модулированных (АМ), частотно-модулированных (ЧМ), фазомодулированных (ФМ) сигналов, сигналов с одной боковой полосой (ОБП) и различными видами импульсной модуляции и др.

Кроме того, различают РПУ:

— по месту установки — стационарные, мобильные, бортовые переносные;

— по способу питания — питаемые от сети переменного тока, от аккумуляторов, гальванических или солнечных батарей, с универсальным питанием;

— по способу управления и коммутации — с ручным, частично или полностью автоматизированным, дистанционным, комбинированным управлением.

В месте приема сигнала существуют электромагнитные поля, создаваемые посторонними источниками естественного и искусственного происхождения. Соответствующие электромагнитные колебания воспринимаются РПУ и мешают приему полезного сообщения, т. е. являются так называемыми внешними радиопомехами. Кроме того, и в цепях самого РПУ возникают различные побочные мешающие электрофизические явления, проявляющиеся в виде внутренних помех приему. Исходное сообщение в процессе прохождения по радиоканалу претерпевает нежелательные изменения, оцениваемые искажением сигнала. Искажения имеют место, как вне приемопередающей аппаратуры, так и внутри нее. Первые связаны с рядом физических процессов, сопровождающих распространение электромагнитных волн, вторые обусловлены неидеальностью характеристик передатчика и приемника.

В решении проблемы помехоустойчивости радиоприема возникло новое направление, основанное на изучении и использовании различий и статистических характеристиках сигналов и помех с помощью методов теории передачи информации. Одним из важнейших достижений в этом направлении было создание теории потенциальной помехоустойчивости приема, на базе которой развивается современная теория анализа и синтеза радиосистем, оптимальных по помехоустойчивости.

В настоящее время техника радиоприема развивается по следующим основным направлениям:

— дальнейшее освоение наиболее высокочастотных диапазонов волн, включая миллиметровый, децимиллиметровый и оптический;

— широкое внедрение методов и средств цифровой обработки сигналов, микропроцессорной и вычислительной техники для автоматизации РПУ;

— совершенствование методов борьбы с помехами;

— значительное улучшение качественных показателей РПУ, увеличение функциональной сложности приемной техники;

— повышение степени интеграции функциональных узлов и блоков РПУ.

3. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПРИЕМНИКА, КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА, ШУМОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА Одна из важнейших электрических характеристик РПУ — чувствительность, под которой понимают способность приемника принимать слабые сигналы. Количественно чувствительность оценивается минимальной ЭДС в антенне или номинальной мощностью модулированного сигнала, при которых на выходе приемника сигнал воспроизводится с требуемым качеством. Когда внешние помехи мало влияют на прием, чувствительность ограничена собственными шумами РПУ, обусловленные в основном его флуктуационными шумами.

Источниками внутренних флуктуационных шумов в приемнике являются все пассивные элементы цепей, обладающие омическим сопротивлением, и активные приборы. Любой элемент цепи с омическим сопротивлением может быть представлен в виде эквивалентного генератора шумовой ЭДС или генератора шумового тока с «нешумящим» внутренним сопротивлением или проводимостью R.

Источником внешних шумов для приемника является антенна. Шумы приемной антенны складываются из тепловых шумов ее активного сопротивления, потерь и шумов сопротивления излучения.

Превышение сигнала над шумом С/Ш на выходе УТ задастся коэффициентом различимости, минимально допустимое значение которого h₀ зависит от характера принимаемого сообщения, требуемого качества приема и вида модуляции сигнала.

В реальных условиях эксплуатации РПУ чаще пренебречь влиянием помех на радиоприем нельзя. Количественно чувствительность, ограниченную внутренними шумами, оценивают реальной или пороговой чувствительностью, коэффициентом шума или шумовой температурой.

Реальная чувствительность — чувствительность, определяемая при заданном отношении С/Ш h₀ на выходе УТ. .

Пороговая, или предельная, чувствительность определяется уровнем входного сигнала, при котором h₀ = 1.

Рассмотрим линейный шумящий 4-полюсник с входным сопротивлением R_ВХ и коэффициентом усиления (передачи) по мощности Кр = Рс вых/Рс вх, нагруженный на сопротивление R_Н. К его входным зажимам подключается источник сигнала с выходным сопротивлением R_Г, являющийся одновременно и источником тепловых шумов.

При согласовании источника сигнала со входом 4-полюсника на входном сопротивлении последнего рассеивается максимальная (номинальная) мощность шумов

.

Если имеет место рассогласование источника сигнала и 4-полюсника, на R_ВХ рассеивается меньшая шумовая мощность

где з — коэффициент рассогласования, .

В 4-полюснике сигнал и шумы усиливаются (ослабляются) в К_Р раз, и если бы он был идеальным (нешумящим), на его нагрузочном сопротивлении R_Н рассеивалась бы мощность шумов. В реальном 4-полюснике

.

Коэффициент шума:

.

Т.о. коэффициент шума зависит от шумовых свойств источника сигнала, обусловленных его температурой Т. Для устранения этой неоднозначности принимают шумовую температуру источника сигнала равной комнатной Т₀. Собственные шумы ухудшают отношение С/Ш на выходе 4-полюсника по сравнению с входным.

Чем выше уровень собственных шумов 4-полюсника, тем больше коэффициент шума отличается от 1. Для идеального нешумящего 4-полюсника Ш = 1. Коэффициент шума пассивного 4-полюсника в общем случае, а при его согласовании с источником сигнала и нагрузкой .

Для оценки шумовых свойств 4-полюсников, у которых коэффициенты шума близки к 1, используют эквивалентную шумовую темп-ру. Она показывает, насколько должна быть повышена абсолютная темп-ра сопротивления источника сигнала R_Г, подключенного ко входу идентичного нешумящего 4-полюсника, чтобы мощность шумов на его выходе равнялась мощности шумов на выходе реального 4-полюсника.

Относительная шумовая температура t_Ш показывает, во сколько раз темп-ра нагрева сопротивления R д.б. больше нормальной темп-ры, чтобы генератор I_Ш ВХ создавал шумы эквивалентные шумам в цепи управляющего электрода. .

Шумовая температура 4-полюсника в отличие от коэффициента шума не зависит от шумовой температуры источника сигнала. В этом заключается ее преимущество как меры шумовых свойств.

4. ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ РАДИОПРИЕМНИКА

Избирательность — способность РПрУ выделять сигнал, ослабляя действие мешающих процессов (помех). Избирательность (селективность) основана на использовании тех или иных различий сигналов и помех.

Виды избирательности

1) Пространственная — достигается с помощью остронаправленных приемных антенн или путем электронного управления синтезированной диаграммой направленности ФАР

2) Поляризационная — реализуется с помощью приемных антенн, которые настраиваются на вид поляризации волны полезного сигнала

3) Временная — (при приеме импульсных сигналов) такая избирательность достигается отпиранием приемника на время действия сигнала

4) Частотная избирательность — разделение сигналов осуществляется с помощью применения резонансных цепей и фильтров. (односигнальная и многосигнальная) Односигнальная — избирательность определяется АЧХ фильтров УТ при действии на его входе только одного малого сигнала не вызывающего нелинейных эффектов. Количественно односигнальная избирательность РПрУ — величина, обратная (f)

Se = K₀/K (f), определяет ослабление помехи при заданной ее расстройке f = f — f₀ относительно f₀. Идеальная характеристика избирательности — прямоугольная с полосой пропускания, равной ширине спектра сигнала, в пределах которой Se = 1, а за ее пределами Se. Такая характеристика обеспечивает неискаженное воспроизведение спектра сигнала и бесконечно большое подавление любой внеполосной помехи.

Многосигнальная. В большинстве систем радиосвязи сигнал принимается на фоне одной или нескольких помех. При этом нелинейность УТ приводит к следующим эффектам:

1)Перекрестная модуляция — перенос модуляции помехи на полезный сигнал

2)Сжатие амплитуды сигнала — нарушение линейной зависимости между амплитудами сигнала на выходе и входе УТ (переходная характеристика). Этот эффект наблюдается в режиме большого полезного сигнала

3)Блокирование полезного сигнала — возникает в следствие уменьшения коэф. Усиления УТ, но под действием сильных мешающих сигналов с частотами отличающимися от частот основного и побочного канала приема.

4)Интермодуляция — проявляется при воздействии на нелинейный элемент 2х или более процессов с частотам f _пом.1, f _пом.2, f _пом.3,… На выходе этого элемента возникает сложный спектр интермодуляционных колебаний: mf _пом.1 + nf _пом.2 + pf _пом.3 + …

5. ОБЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К РПУ Основными параметрами, характеризующими качество работы радиоприемника являются: диапазоны принимаемых частот (волн); реальная чувствительность; селективность по соседнему и зеркальному каналам и на частоте, равной промежуточной; коэффициент гармоник; действие автоматической регулировки усиления (АРУ), уровень фона.

Кроме основных параметров к современным радиоприемникам предъявляется ряд технических требований, входящих в перечень параметров, обязательно устанавливаемых ТУ на каждый конкретный тип приемника. Наиболее важными из них являются: максимальная чувствительность; стабильность настройки приемника; действие автоматической подстройки частоты гетеродина (АПЧ); потребление электроэнергии; максимальная выходная мощность и др.

Диапазон принимаемых частот определяет границы перестройки приемника в диапазонах длинных, средних, коротких и ультракоротких волн. Эти границы определены ГОСТ 5651– — 76 и соответственно равны:

ДВ: 150 — 408 кГц (2000,0 — 735,3 м);

СВ: 525 — 1605 кГц (571,1 — 186,9 м);

KB: 3,95 — 12,1 МГц (75,9 — 24,8 м);

УКВ: 65,8 — 73 МГц (4,56 — 4,11 м).

Чувствительность радиоприемника является параметром, который позволяет оценить возможность приемника принимать слабые сигналы радиостанций. Различают максимальную и реальную чувствительность приемника.

Реальная чувствительность определяет минимальный уровень входного сигнала, при котором обеспечивается стандартная (испытательная) выходная мощность при заданном соотношении напряжения входного сигнала к напряжению шумов. Для отечественных приемников испытательная выходная мощность принята равной 50 или 5 мВт, в зависимости от класса приемника. Заданное соотношение сигнал-шум при измерении реальной чувствительности приемника в диапазонах ДВ, СВ, KB — не менее 20 дБ, на УКВ — не менее 26 дБ.

Максимальная чувствительность — это чувствительность, ограниченная усилением. Она определяет такой минимальный уровень сигнала, при котором обеспечивается стандартная (испытательная) выходная мощность при установке всех органов управления приемника в положения, соответствующие максимальному усилению. Чувствительность радиоприемника зависит от многих факторов: усилительных свойств всех каскадов тракта приемника, уровня собственных шумов, ширины полосы пропускания и др.

Избирательность характеризует способность приемника выделять полезный сигнал из множества других сигналов, одновременно поступающих на его вход. При этом выделение сигнала осуществляется благодаря различию частот сигнала и помехи по частоте. Для радиовещательных приемников нормируются избирательности по соседнему и зеркальному каналам и относительно помехи, частота которой равна промежуточной. В диапазонах ДВ и СВ избирательность по соседнему каналу оценивается ухудшением чувствительности приемника на частоте, отличающейся от настройки приемника на ±9 кГц [До введения ГОСТ 5651– — 76 избирательность по соседнему каналу измерялась при расстройке ±10 кГц.]. Такая расстройка принята исходя из того, что в современной системе радиовещания в диапазонах ДВ и СВ несущие частоты соседних радиовещательных станций разнесены между собой на 9 кГц.

Избирательность по соседнему каналу определяется в основном трактом промежуточной частоты и в пределах диапазона изменяется незначительно.

Избирательность по зеркальному каналу определяет ослабление радиоприемником мешающего сигнала, отстоящего от принимаемого на удвоенное значение промежуточной частоты. Селективные (избирательные) свойства радиоприемника по зеркальному каналу определяются резонансными свойствами избирательных цепей до преобразователя частоты (входных цепей, УВЧ).

Избирательность по промежуточной частоте определяет ослабление приемником мешающего сигнала, частота которого равна промежуточной частоте приемника. Величины промежуточных частот приемников определены ГОСТ 5651– — 76. Работа радиостанций на этих частотах запрещена. Однако в ряде случаев гармоники радиостанций могут совпадать с промежуточной частотой приемника. При этом они могут быть сильными помехами при приеме других радиостанций.

Действие автоматической регулировки усиления (АРУ) оценивается соотношением изменения напряжений на входе и выходе приемника. Система АРУ во всех современных приемниках является обязательным элементом схемы. Она используется для защиты от перегрузок каскадов усилительного тракта, резкого изменения уровня громкости при перестройке приемника со слабой станции на сильную и обратно и замираний на КВ. Замирания наблюдаются в диапазоне KB при приеме дальних станций. Они вызваны условиями распространения волн в этом диапазоне. Усиление каскадов приемника при приеме сильных сигналов, начиная с некоторого определенного уровня, автоматически уменьшается в такой степени, чтобы напряжение сигнала на выходе приемника оставалось относительно постоянным.

Автоматическая подстройка частоты гетеродина (АПЧ) используется в приемниках для обеспечения устойчивого приема сигнала. Сигнал на выходе приемника может пропасть из-за ухода частоты гетеродина, вызванного изменением температуры окружающей среды, напряжения источника питания, уровня входного сигнала, настабильностью параметров элементов схемы и т. п.

Система АПЧ позволяет устранить расстройку гетеродина. Качество АПЧ характеризуется коэффициентом автоподстройки, полосой захвата и полосой удержания.

Коэффициент автоподстройки характеризует эффективность системы АПЧ и равен отношению величины начальной расстройки при выключенной АПЧ к остаточной расстройке при включенной АПЧ. Чем больше значение коэффициента, тем эффективнее система АПЧ.

Полоса захвата определяется максимальной начальной расстройкой, при которой обеспечивается подстраивающее действие системы АПЧ. Полоса захвата не должна быть слишком широкой, чтобы не происходило захватывания АПЧ сильным сигналом соседней станции.

Полоса удержания определяется максимальной расстройкой, при которой сохраняется подстраивающее действие системы АПЧ, при увеличении начальной расстройки. Полоса удержания должна быть не уже возможного диапазона нестабильности частот принимаемого сигнала или сигнала гетеродина приемника.

6. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ

— это способность радиоприемного устройства обеспечивать нормальное функционирование в условиях воздействия определенной совокупности помех. Для количественной оценки помехоустойчивости используются различные критерии:

Ш вероятностный (при приеме дискретных сигналов) Ш энергетический Ш артикуляционный (разборчивость) Вероятностный основан на определении средней вероятности искажения элементарного сигнала Р₀, которая зависит от отклонения мощности сигнала и мощности помехи. График этой вероятности Р₀(h) называется характеристикой помехоустойчивости:

Р₀(h)

— убывающая характеристика

0 h

Энергетический применяется при анализе аналоговых сигналов (при приеме). Критерий основан на измерении отношений мощностей сигнала и помехи на выходе приемника при заданном отношении сигнал/шум на входе.

Артикуляционный применяется при передаче речевых сообщений. Основан на экспертной оценке разборчивости передаваемых тестовых текстов.

Верность воспроизведения сообщений — это способность приемника в отсутствии помех воспроизводить на выходе закон модуляции входных сигналов с заданной точностью.

Шумы элементов РПУ.

1. Внешние:

Источники:

Ш Приемная антенна и ее активное сопротивление потерь Ш Излучения космоса, атмосферы, Земли.

2. Внутренние:

Ш Тепловой шум (процесс хаотического перемещения свободных носителей заряда в каждом омическом сопротивлении под воздействием теплового возбуждения) Среднее значение такого шума = 0, а энергетический спектр равномерен от 10¹¹…10¹² Гц — белый шум.

В биполярном ТР шумы состоят из 3 составляющих:

1)тепловые шумы объемных сопротивлений базы, эмиттера, коллектора

2)флуктуация заряда, протекающего через коллекторные и эмиттерные переходы (дробовой шум)

3)флуктуации коллекторного и базового токов, обусловленная случайным процессом рекомбинации носителей зарядов в базе.

В полевом ТР уровень шумов < чем в биполярном. В полевом источники тепловых шумов:

1)объемное сопротивление стока и истока

2)канал, как управляемый резистор

3)дробовой шум тока утечки затвора.

7. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ШУМА РПУ Внутренние шумы.

Процесс хаотического движения свободных носителей заряда в каждом омическом сопротивлении под воздействием теплового возбуждения называется тепловым шумом. Среднее значение такого шума = 0, а энергетический спектр равномерен в полосе частот от 0 до 10¹¹ — 10¹² Гц.

Любой элемент м/б представлен в виде эквивалентной схемы генератора шумовой ЭДС:

П_ш — шумовая полоса в герцах к — постоянная Больцмана.

г (f) — нормированная АЧХ.

В БТР шумы состоят из трех составляющих:

· Тепловые шумы объемных сопротивлений Б, Э, К.

· Флуктуация заряда протекающего через ЭП и КП — дробовой шум.

· Флуктуация базового и коллекторного токов обусловленная случайным процессом рекомбинации носителей заряда в базе.

В ПТР (уровень шумов меньше чем у БТР):

· Тепловой шум: Объемное сопротивление стока и истока

· Канал, как управляемый резистор

· Дробовой шум тока утечки затвора Общая эквивалентная схема усилительного прибора (УП).

G₁₁ — входная проводимость.

Шум на выходе эквивалентной схемы можно представить как следствие усиления подводимого к управляющему электроду шумового напряжения, создаваемого двумя эквивалентными генераторами (I_ш вх, E_ш вх).

T₀ = 20⁰ С

t_ш — относительная шумовая температура, показывает во сколько температура нагрева G₁₁ д/б больше нормальной температуры, что бы генератор тока I_ш вх создавал шумы, эквивалентные тем, которые находятся в цепи управляющего электрода.

Шумовые свойства БТР зависят от усиления, режима питания, от способа включения прибора.

БТР: R_ш < 10 Ом, t_ш < 1

ПТР: R_ш = (0,6…0,75)/s, s — крутизна.

Внешние шумы.

Основным источником является антенна, т. е. ее активное сопротивление потерь; излучения космоса, атмосферы, Земли.

— сопротивление излучения антенны.

— эквивалентная шумовая температура.

Для количественной оценки шумовых свойств приемника используется один из показателей:

· Шумовая температура.

· Коэффициент шума.

Эти параметры определяются для линейной части тракта приемника (т.е. до первого нелинейного звена приемника) Представим линейный шумящий преобразователь в виде четырехполюсника с R_вх и коэффициентом передачи по мощности k_p = P_вых / P_вх, и нагруженный на R_н. К входным зажимам такого четырехполюсника подключен источник сигнала с входным сопротивлением R_г, который одновременно является источником шумов. При согласовании источника сигнала со входом преобразователя R_г = R_ш на R_вх преобразователя рассеивается :

На практике имеет место рассогласование источника и преобразователя:

— коэффициент рассогласования, зависит от R_г и R_вх.

В самом преобразователе шумы и сигнал усиливаются или ослабляются в k_p раз. В случае, если преобразователь идеальный нешумящий, то мощность шумов на выходе:

В реально преобразователе к этим шумам добавляются его собственные шумы P_{ш собст} и на R_н рассеивается большее количество шумов:

Коэффициент шума:

Коэффициент шума можно определить еще одним соотношением:

Чем выше уровень собственных шумов преобразователя, тем больше коэффициент шума отличается от 1.

Для пассивного преобразователя (фильтр, фидер):

При условии согласования: Ш = 1/, < 1 => Ш > 1.

Для расчета коэффициента шума всего усилительного тракта нам известно, что каскады образующие тракт имеют одинаковую полосу

:

Из этой формулы видно, что шумовые свойства всего приемного устройства определяются в основном его первыми каскадами, причем не только их шумовыми показателями, но и коэффициентами передачи по мощности, которые д/б как можно большими.

Для малошумящих преобразователе неудобно пользоваться коэффициентом шума, т.к. он? 1. Поэтому для них удобно использовать эквивалентную шумовую температуру:

Эта температура показывает на сколько д/б повышена абсолютная температура сопротивления источника сигнала, подключенного ко входу идентичного, но нешумящего четырехполюсника, что бы мощность шумов на его выходе = мощности шумов на выходе реального преобразователя.

8,9,10,11 Входные цепи РПУ, основные показатели, схемы.

Входной цепью называют часть схемы приемника, связывающую антенно-фидерную систему с входом первого каскада приемника. Первым каскадом может быть усилитель радиочастоты или смеситель. Основным назначением входных цепей является передача полезного сигнала от антенны к входу первого активного элемента и предварительное выделение принимаемого полезного сигнала из всей совокупности сигналов, индуцируемых в антенной цепи. Входная цепь обычно представляет собой пассивный четырехполюсник, включающий в себя резонансную систему и элементы связи. В зависимости от диапазона частот резонансная система выполняется на сосредоточенных или распределенных элементах и состоит из одного или нескольких колебательных контуров или резонаторов (коаксиальных, полосковых, объемных). Элементы связи обеспечивают связь антенной цепи с контуром (резонатором), а при нескольких резонансных элементах, связь между ними и первым каскадом приемника. В диапазонных приемниках наибольшее распространение получили одноконтурные входные цепи. В профессиональных приемниках могут применяться двухконтурные и многоконтурные входные цепи. На рис.1−3 приведены часто встречающиеся схемы одноконтурных входных цепей. Схемы отличаются способами связи входного контура с антенной.

Рис. 1. В.Ц. с трансформаторной Рис. 2. В.Ц. с емкостной связью с связью с антенной На рис. 1 приведена схема с трансформаторной связью между контуром входной цепи L_к С_к и антенной А. В схеме на рис. 2 использована емкостная связь входного контура с антенной.

Основными электрическими характеристиками входных цепей являются: коэффициент передачи напряжения (мощности), полоса пропускания, избирательность, диапазон рабочих частот.

Коэффициентом передачи входной цепи по напряжению называют отношение напряжения сигнала на входе первого активного элемента приемника к величине ЭДС в антенне, а в случае ферритовой антенны — к напряженности поля сигнала:

.

Коэффициент передачи напряжения на частоте настройки входной цепи называют резонансным коэффициентом передачи

.

Полоса пропускания — ширина области частот, в пределах которой сохраняется допустимая неравномерность коэффициента передачи.

Избирательность — входных цепей определяет степень уменьшения коэффициента передачи напряжения при заданной растройке по сравнению с резонансным значением

.

Диапазон рабочих частот. Входная цепь должна обеспечить возможность настройки на любую частоту заданного диапазона приемника при удовлетворении требований, предъявляемых к изменению коэффициента передачи, полосы пропускания, избирательности. Коэффициентом перекрытия диапазона называют отношение максимальной частоты диапазона к минимальной:

.

Полный диапазон перестройки приемника обычно разбивают на ряд поддиапазонов. Находят применение два основных способа разбивки диапазона на поддиапазоны.

С постоянным частотным интервалом (рис.5).

Рис. 5.Разбивка на поддиапазоны При этом способе разность максимальной и минимальной частот у всех поддиапазонов одинакова .

Коэффициент перекрытия диапазона в этом случае с ростом частоты поддиапазона уменьшается

С постоянным коэффициентом перекрытия.

При этом способе коэффициенты перекрытия всех поддиапазонов одинаковы Этот способ более экономичный, т.к. для перекрытия всего рабочего диапазона частот требуется меньшее число поддиапазонов.

Однако из следует, что с увеличением частоты возрастает, следовательно, возрастает плотность настройки.

В специальной аппаратуре обычно используется первый способ перекрытия рабочего диапазона частот, в аппаратуре широкого применения — второй.

Рассмотрим основные соотношения, используемые для расчета параметров входных цепей.

Эквивалентная емкость контура складывается из емкости органа настройки (обычно конденсатор переменной емкости или варикап), собственной емкости катушки контура, емкости монтажа, емкости подстроечного конденсатора (при расчетах выбирается среднее значение), вносимой емкости со стороны электронного прибора, пересчитанной в контур через коэффициент трансформации (включения) n:

Для усилителей на биполярных транзисторах коэффициент трансформации n может быть определен из двух условий: из условия внесения в контур со стороны первого каскада усилителя емкости, составляющей не более 10−20% от минимальной начальной емкости контура

где — минимальная емкость органа настройки, то есть,

и из условия допустимого увеличения затухания контура

здесь — входное сопротивление каскада, подключенного к контуру входной цепи; - характеристическое сопротивление контура на максимальной частоте; - конструктивная (собственная) добротность контура; - коэффициент шунтирования контура электронным прибором. Для схем на полевых транзисторах (с общим истоком) в диапазонах ДВ, СВ и KB. В остальных случаях. Из двух значений следует выбирать меньшее.

Индуктивность контура входной цепи рассчитывается по формуле где — максимальная частота поддиапазона;

— минимальная эквивалентная емкость.

При емкостной связи контура с антенной величина конденсатора связи определяется из двух условий:

где — емкость антенны;

— коэффициент разброса емкости антенны;

— активное сопротивление антенны;

— коэффициент разброса сопротивления антенны. Из двух полученных значений емкости связи следует взять меньше.

Величина полной емкости контура при этом с учетом влияния емкости антенны равна, где Резонансный коэффициент передачи напряжения входной цепью с емкостной связью определяется по формуле Степень расстройки антенной цепи относительно крайних частот поддиапазона при трансформаторной (индуктивной) связи в зависимости от способа настройки входной цепи, характеризуется коэффициентом удлинения или коэффициентом укорочения, где — собственная резонансная частота антенной цепи.

Коэффициенты или выбираются в пределах от 1,25 до 3, но при этом необходимо следить за тем, чтобы резонансная частота антенной цепи не совпадала с частотами побочных каналов приема.

Индуктивность катушки связи для режимов удлинения или укорочения может быть подсчитана по формулам:

где — коэффициент разброса индуктивности антенны.

Добротность катушки связи выбирается обычно из условия. Тогда затухание антенной цепи определяется соотношением

где — для режима удлинения; f=f_max — для режима укорочения, .

При этом минимальное значение коэффициента связи, обеспечивающее оптимальную связь для согласования по мощности будет равно:

Коэффициент связи, с одной стороны, должен быть не больше того значения, при котором затухание контура увеличивается за счет реакции антенной цепи не более чем на (20−25)%, а коэффициент передачи по напряжению уменьшается не более чем на 25% от значения при оптимальной связи; при этом. С другой стороны, допустимый сдвиг резонансной частоты контура, вызываемый реактивной составляющей сопротивления антенной цепи, должен быть менее половины полосы пропускания, т. е.. Этому условию соответствует выражение При укороченной настройке в формуле для нужно заменить на .

Выбирают меньшее значение или, однако коэффициент связи не должен быть больше конструктивно выполнимого (для многослойных катушек 0,5 — 0,6, а для однослойных 0,4 — 0,5).

Взаимная индукция между колебательным контуром и обмоткой связи определяется соотношением

Резонансные коэффициенты передачи входной цепи для режимов удлинения и укорочения могут быть найдены по формулам:

;

где — частота настройки контура;

— собственная резонансная частота антенной цепи, соответствующая средним параметрам антенны.

При индуктивно-емкостной связи входной цепи с антенной рекомендуется выбирать = 1,25 — 1,4. Расчет производится в том же порядке, что и для схемы с индуктивной связью.

Дополнительно к этому определяется величина емкости связи Коэффициент передачи равен Избирательные свойства одиночного резонансного контура оцениваются характеристикой избирательности («кривая избирательность»)

где о — обобщенная расстройка контура;

— эквивалентное затухание контура;

f — текущее значение частоты; fo — резонансная частота контура .

Полоса пропускания одиночного контура по уровню 0,707 (-3дБ) оценивается выражением .

12.УСИЛИТЕЛИ РАДИОЧАСТОТЫ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ Рис. 1. УРЧ на полевом транзисторе Рис. 2. УРЧ на биполярном транзисторе Рис. 3. УРЧ с индуктивной связью с избирательной системой Рис. 5. Обобщенная эквивалентная схема резонансного усилителя К числу основных электрических характеристик усилителей относятся:

1.Резонансный коэффициент усиления напряжения .

На сверхвысоких частотах (СВЧ) чаще применяют понятие коэффициента усиления по мощности, где — активная составляющая входной проводимости усилителя; - активная составляющая проводимость нагрузки.

2.Частотная избирательность усилителя показывает относительное уменьшение усиления при заданной расстройке .

Иногда избирательность характеризуют коэффициентом прямоугольности, например, .

3.Коэффициент шума определяет шумовые свойства усилителя.

4.Искажения сигнала в усилителе: амплитудно-частотные, фазовые, нелинейные.

5.Устойчивость работы усилителя определяется его способностью сохранять в процессе эксплуатации основные характеристики (обычно К_о и АЧХ), а также отсутствие склонности к самовозбуждению.

13. МАЛОШУМЯЩИЕ УРЧ

14. УСТОЙЧИВОСТЬ УВЧ, ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

15. ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ УВЧ. КОРРЕКЦИЯ И НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ВНУТРЕННЕЙ ОС

16. КАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ В то время как ус-ль с ОБ характеризуется более широкой полосой пропускания по сравнению с конфигурацией с ОЭ, серьёзным недостатком 1ого во многих случаях является низкое полное входное сопротивление.

Для решения этой проблемы используется каскад с ОЭ с низким коэф-м усиления, предшествующий каскаду с ОБ с достаточно высоким полным входным сопротивлением.

Каскодный усилитель характеризуется одновременно широкой полосой пропускания и достаточно высоким полным входным сопротивлением. Каскодное включение транзисторов увелич. отношение величины S в широкой полосе частот.

17. УПЧ Формируют резонансную кривую приемника, определяют его полосу пропускания и избир-ть. УПЧ обеспечивает усиление сигнала до величины, требуемой для нормальной работы детектора. Промежуточная частота определяется шириной спектра сигнала и обычно <100 МГц. Основные показатели УПЧ: 1) резонансный коэф-т усиления, указывается на средней частоте полосы пропускания, 2) избирательность по соседнему каналу, 3) коэф-т шума, 4) полоса пропускания, определяющая степень искажения сигнала, 5) устойчивость и надежность работы. Схемы УПЧ и их характеристики:

1) n одноконтурных каскадов

K₀ =(m₁m₂|y₂₁|R_э)ⁿ — коэф-т передачи резонансный Резонансная кривая далека от прямоугольной. Избирательность по соседнему каналу невысокая.

2) Усилитель с парами расстроенных каскадов, число каскадов кратно 2.

3) УПЧ с тройками расстроенных каскадов

4) Усилитель с двухконтурными фильтрами По форме резонансная кривая будет совпадать с резонансной кривой УРЧ с парой расстроенных каскадов

5) Фильтры сосредоточенной избирательности (ФСЧ) Т.к. связь между контурами емкостная, то катушка экранируется.

Расчет таких фильтров ведется по графикам.

18. ПРОХОЖДЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ ЧЕРЕЗ УВЧ Основ. показатель цепи при анализе перех. процессов — переходная характеристика.

Длительность перех. Процесса (длит-ть фронта) — время установления амплитуды от 0,1 до 0,9 установившегося значения.

Время спада — время изменения амплитуды от 0,9 до 0,1 от установившегося значения.

Время запаздывания — время нарастания сигнала от 0 до 0,5 от установившегося значения.

Длит-ть перех. процесса можно определить аналитически, вычислив реакцию усилителя на мгновен. включение напряжения U_mвх и частотой w_с. Если подаваемая частота равняется w_c = w₀ (резон.част.), то огибающую можно определить по ф-ле Агеева-Кобзарева.

Колебания огибающей объясн. возникновением собственных колебаний в контуре при возбуждении.

19. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ Преобразователи частоты (ПЧ) предназначены для переноса спектра модулированного сигнала из одной области частотного диапазона в другую. Перенос спектра должен происходить без изменения вида и параметров модуляции — без нелинейных искажений информац. сигнала.

Преобразование частоты возможно в результате перемножения двух напряжений. Одно из них — принятый сигнал u_C = U_Ccos (_Ct + _C), второе — напряжение вспомогательного генератора (гетеродина) u_Г = U_Г cos_Гt. В результате перемножения напряжений сигнала и гетеродина появляются комбинационные составляющие частот u_C u_Г = 0,5 U_C U_Г cos[(_{Г C})t _C).

Одна из комбинационных составляющих выделяется фильтром u_пр = U_прcos (_прt + _пр) — напряжение промежуточной частоты.

Перемножитель напряжений можно реализовать с помощью нелинейной цепи или цепей с периодическим изменением параметров под действием гетеродина. В качестве нелин. параметрических элементов используются транзисторы и диоды.

Сигнал на входе смесителя должен быть малым, чтобы нелинейность характеристики смесителя не приводила к заметным искажениям принимаемого сигнала, а гетеродин использовался для изменения параметра. Напряжение гетеродина сравнительно велико, поэтому проводимость смесителя будет меняться по закону изменения напряжения гетеродина.

Основные показатели качества преобразователя частоты: диапазон рабочих частот, избирательность, коэффициент шума, искажения, устойчивость, надежность, коэффициенты усиления по напряжению и по мощности.

Преобразователь частоты состоит из смесителя, фильтра промежуточной частоты (ФПЧ) и гетеродина (Г).

Смеситель можно представить 6-типолюсником, на который подаются напряжения преобразуемого сигнала u_C и гетеродина u_Г, а на выходе выделяется напряжение промежуточной частоты u_пр. Напряжение сигнала и промежуточной частоты гораздо меньше напряжения гетеродина u_C u_пр «u_Г, поэтому можно полагать, что проводимость НЭ меняется только под действием напряжения гетеродина. Входной и выходной токи ПЭ представим в виде функций

i₁ = f₁(u_Г, u_C, u_пр); i₂ = f₂(u_Г, u_C, u_пр),

которые определяются статическими характеристиками смесителя и режимом его работы.

Промежуточная частота определяется одним из следующих соотношений:

_np = k_Г + _C; (4.14)

_np = k_{Г C} при k_Г > _C; (4.15)

_np = _C k_Г при k_Г < _C, де k = 1, 2, … — целое число.

Наиболее распространено преобразование первого порядка (k = 1). Преобразование порядка k (при k > 1) называется преобразованием на гармониках гетеродина.

Выражение в комплексной форме имеет вид

= 0,5 + ,

= 0,5 + .

Здесь = U_C; =; = U_C

— комплексные величины — векторы напряжений сигнала и промежуточной частоты; и — комплексно-сопряженные величины — с противоположными знаками фазового угла _C.

Выражение (4.17) называется уравнением прямого не инвертирующего преобразования частоты. Не инвертирующее преобразование не меняет положение боковых полос (БП) спектра — рис. 4.4, а), в).

Формула (4.18) называется уравнением прямого инвертирующего преобразования частоты. Инвертирующее преобразование частоты меняет местами боковые полосы: нижняя полоса становится верхней и наоборот — рис. 4.4,б).

Первое слагаемое в (4.17) и (4.18) характеризует процесс преобразования частоты. Второе слагаемое обусловлено реакцией нагрузки. Коэффициент пропорциональности между амплитудой выходного тока промежуточной частоты и амплитудой напряжения входного сигнала при коротком замыкании (к.з.) на выходе называют крутизной преобразования:

G_21пр = = 0,5 (4.19)

— она определяется половиной амплитуды k-й гармоники проводимости прямого действия.

Выходная проводимость ПЧ при коротком замыкании на входе определяется постоянной составляющей выходной проводимости смесителя, изменяющейся под действием гетеродина:

G_22пр = =. (4.20)

После преобразований (4.21), аналогичных при выводе (4.17) и (4.18), получаем в комплексной форме

= + 0,5,

при _C = k_{Г np}

= + 0,5 (4.23)

при _C = k_{Г C}. Это уравнения обратного преобразования для инвертирующего (4.22) и не инвертирующего (4.23) преобразователя частоты.

Коэффициент пропорциональности между амплитудой тока с частотой сигнала на входе и амплитудой напряжения промежуточной частоты на выходе смесителя при коротком замыкании на входе называют крутизной обратного преобразования:

G_21пр = = 0,5; G_12пр = _{= 0} = 0,5. (4.24)

G_11пр == = 0,5. (4.25)

В общем случае при использовании инерционного НЭ и смесителе параметры (4.19), (4.20) и (4.24), (4.25) комплексные, аналогичные параметрам усилительного прибора, но с учетом режима преобразования частоты и действия напряжения гетеродина.

Таким образом, не инвертирующий преобразователь частоты можно описать системой двух линейных уравнений

= Y₁₁ + Y₁₂; = Y₂₁ + Y₂₂. (4.26)

Инвертирующий преобразователь описывается уравнениями

= Y₁₁ + Y₁₂; = Y₂₁ + Y₂₂. (4.27)

Полученные выражения справедливы только для амплитуд, а не мгновенных значений токов и напряжений, которые отличаются по частоте на входе и выходе.

Обратное преобразование аналогично обратной связи (ОС) в усилителе, но она своеобразна — это нелинейная ОС. В ПЧ на невзаимном элементе ОС гораздо слабее, чем в усилителе, но проверять преобразователь на устойчивость необходимо и следует принимать соответствующие меры повышения устойчивости. Такими мерами могут быть уменьшение коэффициента усиления до значения устойчивого и каскодное соединение электронных приборов в смесителе. Применение нейтрализации в преобразователе невозможно, так как частоты на его входе и выходе различны.

20. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ Для преобразования частоты используют как полевые (ПТ), так и биполярные (БТ) транзисторы. Преобразование происходит вследствие изменения крутизны характеристики прямой передачи под действием напряжения гетеродина. Возможны различные варианты схем подачи напряжения сигнала и гетеродина на смесительные элементы.

На рис. 4.8 — схемы преобразователей с отдельным гетеродином на ПТ и БТ. В первой схеме напряжение сигнала подано в цепь затвора, а напряжение гетеродина — в цепь истока. По сигналу получается схема с общим истоком (ОИ), а для гетеродина — схема с общим затвором (03). Во второй схеме напряжение сигнала подается в цепь базы, а напряжение гетеродина — в цепь эмиттера. Этим достигается хорошая развязка цепей сигнала и гетеродина.

Рис. 4.9 — Схема на двух затворном ПТ

Лучшая развязка между сигнальной и гетеродинной цепями остигается в схеме на двух затворном ПТ — рис. 4.9. Напряжения сигнала и гетеродина подаются на разные затворы. Преобразование частоты в этой схеме происходит за счет изменения крутизны сток-затворной характеристики по сигнальному затвору при изменении напряжения на гетеродинном затворе.

Хорошая развязка цепей сигнала и гетеродина и высокая устойчивость против самовозбуждения в широком диапазоне частот достигаются в каскодных смесителях. в которой напряжения сигнала и гетеродина поданы на базы разных транзисторов.

Рис. 4.10 — Каскадная схема По сигналу получается каскадная схема общий эмиттер — общая база (ОЭ-ОБ), обеспечивающая высокую устойчивость. Преобразование частоты происходит вследствие изменения крутизны характеристики второго транзистора.

Аналогично можно построить каскадный смеситель на ПТ.

Преобразовательный электронный прибор — транзистор можно использовать одновременно и для генерирования колебаний. В этом случае преобразователь называется генерирующим (автодинным). Но оптимальные режимы для генерирования и для преобразования частоты неодинаковы. Стабильность частоты генерации получается низкой, поэтому автодинные ПЧ используются только в недорогих приемниках невысокого класса. В профессиональных РПрУ используются ПЧ с отдельным гетеродином.

Рис. 4.11 — К определению крутизны преобразования

Режим по постоянному току смесителей выбирают так, чтобы работать на нелинейном участке ВАХ прямой передачи и по возможности использовать участок с линейным изменением крутизны этой характеристики — рис. 4.11. Из графика на рис. 4.11, а) следует, что амплитуда первой гармоники крутизны 0,5(g_21max — g_21min), a крутизна преобразования по первой гармонике согласно (4.19) G_21пр= 0,5 0,25(g_21max — g_21min). В режиме усиления можно использовать g₂₁ = g_21max, следовательно, крутизна в режиме преобразования меньше крутизны в режиме усиления.

Анализ ПЧ на БТ возможен с использованием экспоненциальной аппроксимации характеристик. Например, входная характеристика БТ в схеме ОБ i_Э = f (u_БЭ) хорошо аппроксимируется экспонентой i_Э = i₀(- 1), где i₀ и b — параметры экспоненты, определяются из реальных характеристик транзистора. Учитывая соотношение i_K = h_21б i_Э и выражение определяем крутизну

g₂₁ = di_K/du_БЭ = h_21б di_Э /du_БЭ = h_21б bi₀. g₂₁(t) = bI_K0[J₀(bU_Г) +J_k(bU_Г) cosk_Гt].

Входные и выходные сопротивления транзистором в режиме преобразования приблизительно в 1,5…2 раза больше, чем в режиме усиления, а входные и выходные емкости в режиме усиления и преобразования фактически одинаковы.

ПТ имеет квадратичную сток-затворную характеристику, этим обусловлена линейная зависимость крутизны этой характеристики g₂₁ от U_ЗИ

21. ДИОДНЫЕ ПЧ, СХЕМЫ, ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ Различаются они способом подачи напряжения ГТ.

Напряжение ГТ подается на тот же контур, на который подается сигнал. Верхняя схема используется в случае, если f_Г отличающаяся от частоты сигнала на величину f_ПР, оказывается в полосе пропускания входного контура. Нижняя схема применяется, если ослабление колебаний ГТ во входном контуре слишком велико. Эквивалентная схема диода (первый рисунок).

g — активная проводимость. С_Д — емкость держателя кристалла. С — емкость p-n-перехода.

L_S и r_S — индуктивность и сопрот. соединительных проводников.

У диодов в ДМВ и СМВ L_S и r_S малы, поэтому схема упрощается (второй рисунок).

Режимы работы:

Резистивный, напряжение ГТ меняется в области прямого тока. Применяется диод с малой барьерной емкостью, главную роль играет нелинейное активное сопротивление.

Емкостной. Используется закрытый p-n-переход. Применяется диод со сравнительно большой нелинейной емкостью (варикап).

Модуль резонансного коэф. передачи напряжения при резистивном режиме:

Эквивалентные резонансные проводимости входного и выходного контуров.

Существуют оптимальные значения коэф-в включения m₁ и m₂. В этом режиме используют диоды с барьером Шоттки, обращенные диоды.

ПЧ на туннельном диоде может иметь К_Р > 1из-за отриц-й проводимости в зоне туннельного эффекта. По шумовым характеристикам и стабильности такой ПЧ уступает ПЧ на ТР. В см и мм диапазонах используют балансные ПЧ, способные ослаблять шумы ГТ.