Призначення та основні характеристики приймачів. Регулювання в радіоприймачах.

Сигнал, переданный в эфир, должен быть принят корреспондентом и обработан до уровня прикладного использования.

Устройство для приёма (выделения) сигнала из совокупности электромагнитных излучений и обработки его называют радиоприёмником.

Все разнообразные типы приемников можно разделить на три основные группы:

1. Радиовещательные приемники (звукового вещания и телевизионные). Эти приемники согласно ГОСТ делятся на пять классов. Наиболее высокие качественные показатели имеют приемники высшего класса.

2. Профессиональные приемники, которые работают на линиях служебной радиосвязи.

3. Приемники специального назначения, например, для радиолокации, радионавигации, для космической связи, самолетные, автомобильные и т. д.

Радиоприемные устройства делятся по следующим признакам:

по схемным решениям:

• приемники прямого усиления;

• супергетеродинные приемники.

по основному назначению:

• радиовещательные

• профессиональные

по роду работы:

• радиотелеграфные,

• радиотелефонные,

• фототелеграфные и т. д.

по виду модуляции, применяемой в канале связи:

• амплитудная (АМ),

• частотная (ЧМ),

• фазовая (ФМ),

• однополосная (ОМ),

• импульсная (ИМ),

• частотная манипуляция с непрерывной фазой и т. д.

по диапазону принимаемых волн,:

- мириаметровые волны — 100-10 км, (3кГц-30кГц), радио

- километровые волны — 10-1 км, (30кГц-300кГц), радио

- гектометровые волны — 1000—100 м, (300кГц-3МГц), радио СВ

- декаметровые волны — 100-10 м, (3МГц-30МГц), радио КВ

- метровые волны — 10-1 м, (30МГц-300МГц), радио УКВ

- дециметровые волны — 100-10 см, (300МГц-3ГГц), радио ДМВ

- сантиметровые волны — 10-1 см, (3ГГц-30ГГц), радио

- миллиметровые волны — 10-1 мм, (30ГГц-300ГГц), радио

- децимиллиметровые волны — 1-0,1 мм, (300ГГц-3ТГц), радио — дальний ИК

свет,

- сантимиллиметровые волны — 100-10 мкм (3ТГц-30ТГц), ИК свет,

- микрометровые волны — 10-1 мкм, (30ТГц-300ТГц), ближний ИК свет —

видимый свет,

приёмник, включающий все широковещательные диапазоны (ДВ, СВ, КВ, УКВ) называют всеволновым.

по способу построения приёмного тракта:

- детекторные,

- прямого усиления,

- прямого преобразования,

- регенеративные,

- супергетеродинные с однократным, двукратным или многократным преобразованием частоты,

- цифровые

по способу питания:

- с автономным,

- сетевым

- универсальным

по месту установки:

- передвижные,

- стационарные,

- мобильные и т. д.

Технические требования, предъявляемые к радиоприемным устройствам, обычно включают в себя следующие основные показатели:

- чувствительность,

- избирательность,

- полосу пропускания,

- диапазон принимаемых частот,

- качество воспроизведения,

- выходную мощность.

Основными характеристиками радиоприемника являются

- “Диапазон рабочих частот”. Полоса частот (кГц, МГц) в которой приемник способен выполнить свое функциональное назначение.

- “Чувствительность”. Минимальное напряжение (мВ, мкВ) приложенное ко входу приемника, при котором выходное устройство функционирует согласно заданным нормам.

- “Избирательность”. (дБ) Способность приемника выделять полезный сигнал из совокупности электромагнитных излучений с подавлением мешающих сигналов.

Остальные характеристики являются вспомогательными и используются в зависимости от предназначения радиоприемника.

Чувствительностью приемника называется наименьшая ЭДС на входе приемника или наименьшая напряженность поля в точке приема, при которой на выходе приемника обеспечивается заданная выходная мощность (или выходное напряжение). Следовательно, чем меньшая ЭДС требуется на входе приемника для обеспечения нормальной выходной мощности, тем чувствительнее приемник.

Например, один приемник имеет чувствительность, равную 50 мкВ, а второй, – равную 100 мкВ. Более чувствительным будет первый приемник. Для транзисторных приемников, в которых применяется ферритовая антенна, чувствительность определяется наименьшей напряженностью поля в точке приема, а не величиной ЭДС на входе.

Например, транзисторный приемник имеет чувствительность, равную 2 мВ/м. Это означает, что при напряженности поля в точке приема Е=2мВ/м на выходе транзисторного приемника обеспечивается заданная мощность. Чтобы приемник обладал высокой чувствительностью, он должен обеспечивать не только большое усиление принимаемых сигналов, но также и малый уровень собственных шумов.

Избирательностью приемника (или селективностью) называется способность приемника занижать мешающий сигнал, выделяя при этом основной принимаемый сигнал. Приемник обладает избирательностью благодаря тому, что в его схеме имеются резонансные контуры. Рассмотрим резонансную кривую контура, представленную на рис.2. a.

Рисунок 2 а - Резонансная кривая контура

Допустим, что контур настроен в резонанс, на несущую частоту принимаемого сигнала; f_p – резонансная частота контура; f_м – частота мешающего сигнала; I_р – ток в контуре при резонансе; I_м – ток в контуре, соответствующий частоте F_м; Δf – абсолютная расстройка.

Величина избирательности (S) показывает, во сколько раз занижается мешающий сигнал по сравнению с резонансным: S = I_р/I_м.

Часто величину избирательности выражают в децибелах: S (дБ)= 20 lg S. Например, если S=100, то, это значит, что мешающий сигнал занижается в 100 раз по сравнению с резонансным.

При этом избирательность, дБ, S(дБ)==20 lg 100=40 дБ. Общая избирательность приемника определяется количеством контуров в его схеме и их качеством, т. е. добротностью. Известно, что форма резонансной кривой зависит от добротности контура. Чем выше добротность контура, тем острее форма резонансной кривой. Следовательно, чем выше добротность контура, тем большую избирательность он обеспечивает.

Рисунок 2 б -

На рис. 2.б показаны резонансные кривые двух контуров с различной добротностью Q, причем Q₁ > Q₂. Мешающий сигнал с частотой f_мсильнее занижается контуром, который имеет большую добротность Q₁. Следует также иметь в виду, что форма резонансной кривой контура зависит от частоты его настройки в резонанс.

Рисунок 2 в

С ростом частоты настройки форма резонансной кривой контура расширяется, как показано на рис. 2.в. Известно, что полоса пропускания одиночного контура (при занижении крайних боковых частот в  раз) рассчитывается по формуле:

П= fp/Q

(3)

Внутри каждого поддиапазона добротность контура Q можно считать практически неизменной. Величину добротности контура можно рассчитать по формуле

Q = ωp L/r

(4)

Если контур перестраивается по диапазону емкостью, то индуктивность его L постоянна. С ростом частоты ω_p растут потери контура r за счет поверхностного эффекта и потому величину Q приближенно можно считать постоянной. Из формулы (3) следует, что с ростом частотыf_p расширяется полоса пропускания контура. Следовательно, контур будет обеспечивать меньшую избирательность (при одинаковой расстройке Δf) на более высокой частоте f_{р max}, чем на низшей частоте диапазона f_{р min} (рис.2.в).

Кроме того, нетрудно представить себе, что с, укорочением длины волны также расширяется резонансная кривая контура и потому наиболее широкой (или тупой) будет резонансная кривая контура в диапазоне коротких и ультракоротких волн. На рис.2.г показаны резонансные кривые контуров для различных диапазонов волн.

Рисунок 2 г

Помимо заданной чувствительности и избирательности, приемник должен обеспечивать пропускание заданной полосы частот, а также перекрывать заданный диапазон частот. Последнее означает, что приемник должен настраиваться на любую частоту заданного диапазона так, чтобы чувствительность, избирательность и полоса пропускания на любой частоте диапазона были не менее заданных. Приемник должен обеспечивать необходимое качество воспроизведения модулирующего сигнала, а качество воспроизведения определяется величиной нелинейных и частотных искажений, которые создаются в схеме приемника.

Структурные схемы радиоприемных устройств

Приём происходит следующим образом: на приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в антенне, после чего он фильтруется и демодулируется. После демодуляции получается сигнал, с некоторыми (возможно допустимыми) различиями с сигналом, который мы передавали передатчиком.

Простейшим из радиоприемных устройств является детекторный приемник, структурная схема которого представлена на рис.3.а. Первый каскад приемника – это входная цепь. Ее назначение состоит в том, чтобы выделить ЭДС одной радиостанции из суммы всех ЭДС, наводимых различными радиостанциями в антенне приемника. Обычно входная цепь представляет собой контур с переменной настройкой. Если контур настроен в резонанс, то он выделит сигнал той радиостанции, несущая частота которой совпадает с резонансной частотой контура. На рис.3.а показан амплитудно-модулированный сигнал, выделяемый входной цепью. В дальнейшем этот сигнал поступает в детектор.

Рис. 3. Структурные схемы приемников: а) детекторного приемника; б) приемника прямого усиления; в) супергетеродинного приемника

Назначение детектора состоит в том, чтобы выделить модулирующий сигнал из высокочастотного модулированного сигнала. Детектирование является частным случаем выпрямления переменного тока. В результате детектирования из высокочастотных модулированных колебаний выделяют звуковую частоту, которую направляют на электроакустический преобразователь (в нем колебания звуковой частоты из электрической формы преобразуются в звуковую).Следовательно, на выходе детектора выделится напряжение, форма которого соответствует огибающей амплитудно-модулированного сигнала, т.е. звуковой сигнал. Последний подается в воспроизводящее устройство, например, в телефон.

На рис. 3.б показана структурная схема приемника прямого усиления. По сравнению со схемой рис. 3.а в приемнике прямого усиления имеются каскады усилителя радиочастоты (УРЧ) и усилителя низкой частоты (УНЧ). Усилитель радиочастоты усиливает высокочастотный сигнал до детектора, а усилитель низкой частоты усиливает низкочастотный сигнал, получаемый в детекторе.

Рисунок 1.2 - Структурная схема радиоприемника

6 – приёмная антенна, 7 – усилитель высокой частоты, 8 – детектор,

9 - усилитель низкой частоты, 10 – динамик.

Приемная антенна принимает электромагнитные волны. Электромагнитная волна, достигшая приемной антенны, индуцирует в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.

Входное устройство - предназначено для выделения конкретного сигнала из совокупности электромагнитных излучений и подавления ненужных радиочастот. Состоит из резонансного контура (совокупности контуров) с возможностью изменения ёмкости или индуктивности для перестройки на нужную частоту.

УВЧ - усилитель высокой частоты (усилитель уровня сигнала) - предназначен для подъёма уровня сигнала до значения, необходимого для нормальной работы демодулятора (детектора) (усиливает по мощности высокочастотные электрические колебания).

Детектор (демодулятор) - предназначен для выделения информационного сигнала из принятого модулированного (выделяет из модулированных высокочастотных колебаний низкочастотные колебания). Схемные решения детекторов для различных видов модуляции принципиально различны.

УНЧ - усилитель низкой частоты - предназначен для подъема уровня информационного сигнала до значения, необходимого для нормальной работы выходного устройства (телефонов, громкоговорителей, оконечной аппаратуры и т.д.) (усиливает по мощности звуковые (низкочастотные) электрические колебания).

Динамик преобразует электромагнитные колебания в механические звуковые колебания.

Состав структурной схемы приемника прямого усиления можно представить в виде формулы, например: 1 – V – 2. Цифра, стоящая слева от буквы V показывает число каскадов УРЧ в схеме приемника, а цифра, стоящая справа от буквы V – число каскадов УНЧ. Буква V – обозначает детектор. Такая формула дает возможность легко представить себе, сколько каскадов и какие именно имеются в схеме приемника.

Наиболее часто приемники выполняются по супергетеродинной схеме. Структурная схема супергетеродинного приемника представлена на рис.3.в. В отличие от приемника прямого усиления, сигнал с выхода усилителя радиочастоты поступает не к детектору, а к преобразователю частоты. Назначение преобразователя частоты состоит в том, чтобы преобразовать несущую частоту принимаемого сигнала в другую частоту, называемую промежуточной.

Обычно при преобразовании несущая частота понижается, что позволяет получить большее усиление в каскадах усилителя промежуточной частоты (УПЧ). Кроме того, промежуточная частота является постоянной для данного приемника. Следовательно, каскады УПЧ работают на фиксированной частоте, т. е. без перестройки по диапазону. В процессе преобразования частоты форма модулирующего сигнала не изменяется и, следовательно, нелинейные искажения не возникают.

Состав структурной схемы супергетеродинного приемника можно также представить формулой, например: 1 – V – 2 – V – 2. Первая цифра этой формулы показывает число каскадов УРЧ, первая слева буква V обозначает преобразователь частоты, следующая за ней цифра – число каскадов УПЧ, вторая буква V – детектор и последняя цифра – число каскадов УНЧ.

Схема супергетеродинного приемника позволяет получить важные преимущества по сравнению с приемником прямого усиления. Основное усиление сигнала в супергетеродинном приемнике происходит в каскадах усилителя промежуточной частоты, которые работают на фиксированной и, как правило, пониженной частоте, благодаря чему возможно получать достаточно большое усиление сигнала в каскадах УПЧ и применять в них высокоизбирательные системы контуров. Поэтому супергетеродинные приемники могут иметь более высокую чувствительность и избирательность по соседнему каналу, чем приемники прямого усиления.

Соседним каналом называется частотный спектр радиостанции, несущая частота которого расположена наиболее близко к несущей частоте принимаемой станции. Известно, например, что при радиовещании с амплитудной модуляцией несущие частоты двух соседних радиостанций располагаются на расстоянии 9–10 кГц в отведенных диапазонах. Расстройка по соседнему каналу при радиовещании с амплитудной модуляцией составляет Δf=±10кГц. При радиовещании с частотной модуляцией расстройка по соседнему каналу Δf=±250 кГц. Помимо избирательности по соседнему каналу, в супергетеродинном приемнике различают также избирательность по зеркальному каналу.

Зеркальный канал появляется в результате преобразования частоты. Расстройка по зеркальному каналу равна удвоенной промежуточной частоте. Иногда супергетеродинные приемники выполняются без усилителя радиочастоты. В таких приемниках сигнал после входной цепи поступает непосредственно в преобразователь частоты, а в остальном структурная схема приемника (рис.3.в) не изменяется.

Рис.4 - Структурная схема супергетеродинного радиоприёмника с однократным преобразованием частоты

1 — входная цепь; 2 — усилитель радиочастоты; 3 — смеситель; 4 — гетеродин; 5 — усилитель промежуточной частоты; 6 — детектор; 7 — усилитель низкой (звуковой) частоты; 8 — оконечное устройство (например, громкоговоритель); fc, fr, fп, fнч — частоты, соответственно, сигнала, гетеродина, промежуточная и звуковая; Ан —антенна.

Рис. 5. Структурная схема приемника

Здесь сигнал, приходящий из антенны, усиливается усилителем УВЧ, преобразуется в промежуточную частоту, фильтруется фильтром промежуточной частоты (ФПЧ) и усиливается усилителем промежуточной частоты (УПЧ). УПЧ во многом определяет характеристики всей системы связи. Такие параметры, как чувствительность приемника, полоса пропускания, шумовые свойства зависят от УПЧ.

На рис. 6 представлена структурная схема монофонического супергетеродинного радиоприемника, который для приема в диапазонах ДВ, СВ и KB состоит из следующих основных блоков:

- входного избирательного устройства (ВИУ);

- усилителя радиочастоты (УРЧ),

- преобразователя частоты (ПЧ),

- усилителя промежуточной частоты (УПЧ),

- детектора (Д),

- усилителя звуковой частоты (УЗЧ),

- громкоговорителя (Гр)

- блока питания (БП).

Структурная схема супергетеродинного монофонического приемника

Рис.6

Выделенный в ВИУ высокочастотный амплитудно-модулированный сигнал невелик по напряжению, особенно если он пришел издалека, поэтому его необходимо усилить. Эту функцию осуществляет УРЧ, на который поступает сигнал из ВИУ. Кроме усиления УРЧ повышает избирательность приемника, так как является резонансной системой.

Преобразователь частоты — ПЧ состоит из двух блоков: гетеродина (Гет) и смесителя (См). Он служит для преобразования поступающих из ВИУ колебаний различной частоты в колебания, постоянные по частоте.

Эти колебания частотой 465 кГц называют колебаниями промежуточной частоты. Для ее формирования в смеситель (См) поступают колебания из гетеродина (маломощного генератора высокой частоты) и УРЧ. В результате взаимодействия этих двух частот образуется новая промежуточная частота. Гетеродин содержит такое же количество контуров, как и ВИУ (несколько катушек индуктивности и конденсатор переменной емкости). Для того чтобы промежуточная частота всегда была равной 465 кГц, число витков (а соответственно и индуктивность) у катушек гетеродина меньше, чем у катушек ВИУ, а роторные пластины переменных конденсаторов гетеродина и ВИУ, емкость которых одинакова, насажены на одну ось. При повороте роторов конденсаторов на определенный угол собственная частота работающих в данный момент контуров ВИУ и гетеродина изменяется на одну и ту же величину, причем частота гетеродина (поскольку индуктивность его катушек меньше) выше частоты выделяемого ВИУ сигнала. Таким образом, какая бы частота ни поступала из ВИУ в смеситель, в нем всегда образуется промежуточная частота 465 кГц.

На выходе ПЧ расположен полосовой фильтр промежуточной частоты (ФПЧ), настроенный на частоту 465 кГц, который отделяет ее от побочных частот, возникающих в преобразователе. Получение постоянной промежуточной частоты является главным преимуществом супергетеродинного приемника по сравнению с выпускавшимися ранее приемниками прямого усиления.

В УПЧ происходит основное усиление сигнала. Вместе с тем он обеспечивает необходимую избирательность, так как содержит полосовые фильтры.

В детекторе (Д) колебания промежуточной частоты преобразуются в колебания звуковой частоты. Эти колебания еще не имеют напряжения, необходимого для нормальной работы громкоговорителя, поэтому их усиливают в УЗЧ. Он состоит из двух частей: предварительного (усилителя напряжения) и оконечного усилителя (усилителя мощности). В УЗЧ расположены регуляторы громкости и тембра.

Выходным устройством приемника является динамическая головка (или несколько головок), встроенная в его корпус. БП в приемниках, работающих от сети переменного тока, состоит из силового трансформатора, полупроводниковых диодов для выпрямления переменного тока и сглаживающего фильтра, который сглаживает пульсации тока после его выпрямления. Источниками питания переносных приемником служат гальванические элементы и батареи.

Большинство современных радиоприемником кроме ЛМ тракта приема станций ДВ, СВ, и KB диапазоном имеют также ЧМ тракт приема в УКВ диапазоне. В приемниках с УН Н диапазоном имеется блок УКВ и частотный детектор (ДЧМ) Структурная схема радиоприемника с УКВ диапазоном представлена на рис...

Рис.7 - Структурная схема радиоприемника с УКВ-диапазоном

Блок УКВ представляет собой отдельное устройство, состоящее из ВИУ, УРЧ и ПЧ. При работе приемника на УКВ диапазоне ВИУ выделяет сигнал одной из станций, УРЧ усиливает частотно-модулированные колебания, а ПЧ, состоящее из гетеродина и смесителя, преобразует эти колебания в промежуточную частоту, которая равна 10,7 МГц. Промежуточная частота поступает на УПЧ ЧМ, усиливается и направляется в частотный детектор.

Наиболее качественную передачу в УКВ диапазоне обеспечивает стереофоническое радиовещание. Стереофонические приемники характеризуются наличием устройства для детектирования полярно-модулированного сигнала — стереодекодера (СД) и двухканального УЗЧ. Остальные их блоки такие же, как в монофонических УКВ приемниках.

Входной высокочастотный сигнал, как и в монофоническом приемнике, поступает с антенны на блок УКВ, где усиливается и преобразуется в промежуточную частоту. С выхо да усилителя промежуточной частоты (УПЧ) сигнал поступает на частотный детектор (ЧД), который преобразует этот сигнал в низкочастотные колебания.

При приеме монофонической передачи напряжение этого колебания, как обычно, поступает на УЗЧ и далее на громкоговоритель. Комплексный же стереосигнал с выхода ЧД поступает на стереодекодер (СД), который содержит цепи восстановления поднесущей частоты, коррекции предискажений, вводимых при передаче, а также цепи преобразования в низкочастотные сигналы.

Для уменьшения влияния негативных явлений (атмосферных помех) в радиоприемниках предусматриваются устройства автоматического регулирования: автоматическая регулировка усиления (АРУ) и автоматическая подстройка частоты (АПЧ).

Уход частоты настройки может быть вызван как атмосферными помехами, так и нестабильностью элементов схемы и неточной настройкой владельцем приемника. Для правильной настройки на выбранную станцию вводится автоматическая подстройка частоты (АПЧ).

Дискриминатор (ЧД) преобразует отклонения от точной промежуточной частоты в "управляющее напряжение", которое подстраивает частоту гетеродина.

Радиостанции, используемые для организации радиосвязи в ВС, в большинстве собраны по, так называемой, трансиверной схеме. Это означает, что отдельные блоки радиостанции (усилители высокой и низкой частоты, генераторы и др.) используются как в режиме приема, так и передачи. Такое схемное решение дает значительную экономию энергопотребления и материалов, и снижает массу радиостанции.