Беляев, лекции.Основные понятия)
.pdfОбщие сведения о радиоприёмных устройствах |
1-1 |
1. Общие сведения о радиоприёмных устройствах. Структурные схемы и показатели качества радиоприёмников
1.1. Общие сведения о радиоприёме и радиоприёмных устройствах
Радиоприёмные устройства входят в состав любой радиотехни- ческой системы:
∙системы передачи информации (например, спутниковой системы связи);
∙системы радионавигации (например, ГЛОНАСС);
∙радиолокационных систем (например, систем противовоз- душной обороны);
∙систем радио- и телевизионного вещания.
При этом тип системы и её назначение в значительной мере влияют как на структуру приёмника, так и на его характеристики.
Существуют три основных способа формирования и передачи полезной информации.
Первый способ отличается активным формированием специ- альных сигналов – сообщений, которые содержат (несут, переносят) полезную информацию. Он характерен для систем связи, вещания, телевидения и т.п. Структуру подобных систем можно изобразить в виде схемы, показанной на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Система с активным формированием сигналов
В этой схеме физически существующая величина (температура, давление, звуковые колебания, изображение и т.п.) преобразуется в электрическое колебание (непрерывное или дискретное). Далее это полезное сообщение кодируется и осуществляет модуляцию друго- го электрического колебания по какому-либо одному (или несколь- ким) его параметрам. В дальнейшем будем называть это немодули-
Общие сведения о радиоприёмных устройствах |
1-2 |
рованное колебание переносчиком или несущим колебанием*), а
промодулированный полезным сообщением переносчик образует полезный сигнал. Электрический сигнал усиливается и излучается в окружающее пространство (либо поступает в кабельную сеть, ла- зерную линию и т.п.). Пройдя через соответствующий канал (ли- нию) связи, сигнал, искажённый средой связи, поступает на вход приёмного устройства.
Помимо искажённого полезного сигнала, на вход приёмника воздействуют так называемые помехи – это электрические колеба- ния, образующиеся вне приёмного устройства. К ним относятся, например, сигналы соседних станций, индустриальные помехи, ат- мосферные, естественные помехи и, наконец, организованные (или преднамеренные) помехи, специально создаваемые в условиях ра- диоэлектронной борьбы.
Помимо помех, возникающих вне приёмного устройства, в самó м приёмном устройстве существует ряд видов так называемых внутренних помех. К ним в первую очередь относятся шумы актив- ных усилительных элементов приёмника – транзисторов, электрон- ных ламп и т.п., а также пассивных цепей (резисторов, передающих линий, ответвителей, аттенюаторов и т.п.).
Второй способ формирования полезного сообщения можно пояснить с помощью следующего примера. Рассмотрим импульс- ную радиолокационную станцию. Передатчик станции посылает в направлении цели зондирующий импульс в виде электромагнитного колебания. Отразившись от цели, сильно ослабленный, этот сигнал поступает на вход приёмного устройства радиолокатора (рис.1.2.).
Очевидно, что в принятом сигна- ле заложена полезная информация о цели.
Остановимся на физике процессов распространения сигнала и способе взаимодействия колебания и движущегося объекта. В силу конечности скорости распространения электромагнитных колебаний в среде и пространственной
*) За таким колебанием исторически закрепилось название несущая (волна): говорят о часто- те несущей, амплитуде несущей и т.п.
Общие сведения о радиоприёмных устройствах |
1-3 |
удалённости РЛС и цели происходит запаздывание отражённого сигнала в приёмнике по отношению к моменту излучения зондирующего сигнала. Таким образом, величина времени запаздывания отражённого сигнала содержит информацию о дальности до цели. За счёт взаимодействия радиоволны с движущимся объектом возникает эффект Доплера, в силу которого частота отражённого сигнала изменяется на определенную величину, зависящую, как от относительной скорости сближения цели и локатора, так и от частоты излученного электромагнитного колебания. Следовательно, измеряя в радиоприёмном устройстве приращение частоты отраженного сигнала по сравнению с излучённым, можно оценить скорость движения цели. В приведённом примере полезное сообщение (дальность, скорость) кодировались естественным способом в переносчике, но переносчик мы создавали сами.
Третий способ – пассивный. Переносчик и заложенное в нём полезное сообщение возникают самопроизвольно, естественно и обу- словлены физикой процессов, происходящих в изучаемом объекте. С такими сигналами имеет дело радиоастрономия, для которой источ- никами сигналов являются различные космические тела, скопление межзвездного вещества в Галактике и т.п. Протекающие в этих обра- зованиях процессы, как правило, связаны с излучением потоков энергии в широком диапазоне частот. Принимая эти электромагнит- ные колебания и потоки частиц, можно изучать происходящие про- цессы не только на поверхности этих объектов, но и внутри.
После этого вступления определим назначение радиоприёмно- го устройства.
Назначение всякого радиоприёмного устройства состо- ит в извлечении полезной информации, заключённой в радиосигналах, приходящих в точку пространства, где расположено радиоприёмное устройство.
Приёмник, как правило, является частью радиотехнической системы. На входе его присутствует совокупность сигнала и помех.
Сигнал – материальный носитель информации.
Помеха – препятствующее правильному извлечению
информации возмущение.
Общие сведения о радиоприёмных устройствах |
1-4 |
Сигналы следует отличать от испытательных воздействий. Ис- пытательными воздействиями (или просто воздействиями) являются либо детерминированные колебания, либо случайные процессы с из- вестными статистическими характеристиками. К такого типа воздей- ствиям относятся синусоидальные колебания генераторов, видео- и радиоимпульсные колебания, амплитудно-модулированные и частот- но-модулированные сигналы и т.д. Их отличительной особенностью является полная известность. Сигналы же содержат интересующую нас информацию и поэтому полностью нам не известны. В силу этой причины мы считаем их случайными процессами, а испытательные воздействия детерминированы (они не переносят информации, а ис- пользуются только для испытания разрабатываемого устройства, ха- рактеристики которого нам до опыта точно не известны).
1.2. Типовые структурные схемы РПУ
А
к ОУ
БВЧ ДМ БНЧ
Рис 1.3. Укрупнённая структурная схема РПУ
По определению ра- диоприёмное устройство должно извлечь полезную информацию, заключён- ную в принимаемом сигна- ле. Для решения этой зада- чи РПУ строят по схеме, показанной на рис. 1.3. Здесь А – антенна; БВЧ – блок высокой частоты; ДМ
– демодулятор; БНЧ – блок низкой частоты; ОУ – око- нечное устройство.
Рассмотрим назначение и основные свойства отдельных блоков РПУ.
Антенна преобразует сигнал, существующий в месте приёма в виде электромагнитного поля, в сигнал в форме высокочастотной ЭДС.
Блок высокой частоты
а) усиливает полезный сигнал до рабочего напряжения демодуля- тора;
Общие сведения о радиоприёмных устройствах |
1-5 |
б) выделяет сигнал из смеси с помехами и другими мешающими колебаниями.
БВЧ выполняет додетекторную обработку сигнала. Основные свойства БВЧ:
1)это квазилинейное устройство: поскольку уровень входных воздействий (сигнала и помех) обычно мал, то они проходят через БВЧ, не взаимодействуя друг с другом;
2)структура БВЧ слабо зависит от вида принимаемого сигнала, в частности, от вида модуляции; важна только ширина спектра сигнала, т.к. она определяет требуемую полосу пропускания БВЧ;
3)БВЧ обладает очень большим усилением – порядка 80-120 дБ,
т.е. коэффициент усиления по напряжению БВЧ составляет 104 −106 раз (типичные значения входного напряжения Uвх = 1-
10 мкВ, а выходного – Uвых = 0,1-1 В).
Демодулятор выделяет полезную информацию, заключенную в высокочастотном сигнале. В случае аналогового демодулятора эта информация представлена в виде низкочастотного колебания. В от- личие от БВЧ структура демодулятора определяется видом модуля- ции принимаемого сигнала. Знакомым вам демодулятором является амплитудный детектор, применяемый для демодуляции амплитудно- модулированных сигналов. Существуют также другие виды демоду- ляторов – частотные, фазовые и различные импульсные демодулято- ры. Демодулятор – это принципиально нелинейное устройство.
Блок низкой частоты выполняет последетекторную обработку. Основное его назначение состоит в следующем:
а) окончательное выделение полезного сообщения из шумов и помех;
б) усиление напряжения полезного сообщения до уровня, необ- ходимого для нормальной работы оконечного устройства.
В простейшем случае эти функции выполняет усилитель звуковой частоты либо видеоусилитель. В нашем курсе мы специально рас- сматривать БНЧ не будем.
На схеме, приведённой на рис. 1.3 блок высокой частоты, демо- дулятор и блок низкой частоты образуют радиоприёмник. Таким об- разом, радиоприёмным устройством называется совокупность антен- ны и радиоприёмника.
Общие сведения о радиоприёмных устройствах |
1-6 |
Вернемся к блоку высокой частоты. Современные приёмники по- лучают название в зависимости от типа БВЧ. Существует два основ-
ных типа схем БВЧ:
∙прямого усиления сигналов;
∙усиления с гетеродинным преобразованием частоты и усилением на промежуточной частоте.
Рассмотрим структурную схему БВЧ прямого усиления. Приём- ник, содержащий такой БВЧ, называется приёмником прямого уси- ления. Характерный признак БВЧ прямого усиления заключается в том, что усиление и выделение сигнала (а это основная функция БВЧ) осуществляется непосредственно на частоте принимаемого сигнала. На рис. 1.4 изображена структурная схема БВЧ прямого усиления.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U1(t) |
|
|
|
U2 (t) |
|||
|
|
|
|
ВЦ УРЧ
Рис 1.4. Структурная схема БВЧ прямого усиления
Всостав БВЧ входят:
-входная цепь (ВЦ);
-усилитель радиочастоты (УРЧ).
Эти блоки выполняют следующие функции.
Входная цепь обеспечивает:
а) согласование антенно-фидерного тракта с УРЧ; б) предварительную частотную селекцию полезного сигнала.
Усилитель радиочастоты обеспечивает:
а) усиление колебаний; б) выделение полезного сигнала.
УРЧ состоит из одного или нескольких резонансных усилительных каскадов, настроенных на частоту принимаемого сигнала. Приёмники могут иметь либо фиксированную настройку, либо работать в опреде- ленном диапазоне частот. В диапазонных приёмниках избирательные фильтры входной цепи и УРЧ необходимо перестраивать согласованно.
Общие сведения о радиоприёмных устройствах |
1-7 |
Недостатки приёмников прямого усиления
1)Если приёмник работает в диапазоне частот, то сильно услож- няется настройка приёмника, особенно если он содержит большое число каскадов. В этом случае необходимо согласо- ванно (одинаковым образом) перестраивать большое число контуров, что технически трудно.
2)При перестройке приёмника по диапазону его показатели мо- гут значительно изменяться.
Поясним это на следующем простом примере. Пусть резонансная частота ко- лебательного контура, входящего в состав однокаскадного УРЧ, перестраива- ется путём изменения контурной ёмкости. Определим, как зависят коэффици- ент усиления и полоса пропускания от резонансной частоты.
Коэффициент усиления K0 = Y21 Rк = Y21 ρQк , где Y21 – крутизна транзисто-
ра, Rк – резонансное сопротивление колебательного контура, ρ и Qк – соответ- ственно характеристическое сопротивление и добротность контура. При пере- стройке контура с помощью ёмкости ρ = 2πf0 Lк прямо пропорционально ре- зонансной частоте f0. Следовательно, считая добротность контура постоянной, получим, что коэффициент усиления однокаскадного УРЧ прямо пропорцио- нален резонансной частоте. Для n-каскадного усилителя, состоящего из оди-
наковых каскадов, коэффициент усиления прямо пропорционален
Полоса пропускания Π = f0 / Qк прямо пропорциональна резонансной часто-
те. Следовательно, при перестройке контура изменяется избирательность УРЧ, т.е. его способность отфильтровывать помехи.
3)Если приёмник предназначен для работы на фиксированной частоте, и частота эта довольно высокая (диапазон метровых и более коротких длин волн), задача получения большого значе- ния коэффициента усиления и избирательности становится весьма и весьма трудной, поскольку с увеличением частоты крутизна транзистора падает, а входная проводимость возрас- тает.
4)Склонность к самовозбуждению (при больших коэффициентах усиления, повышенные требования к экранированию конст- рукции приёмника).
Приёмники прямого усиления применяются сравнительно редко, широкое применение они нашли только в качестве широкополос- ных измерительных приёмников, предназначенных для контроля электромагнитного излучения.
Общие сведения о радиоприёмных устройствах |
1-8 |
Наибольшее распространение в радиоприёмной технике полу-
чила схема БВЧ с преобразованием частоты (рис. 1.5). В этой схеме первоначальное сравнительно небольшое усиление сигнала осуществляется на частоте принимаемого сигнала в усилителе ра- диочастоты (УРЧ). Затем преобразователь частоты (ПЧ) переносит спектр сигнала на так называемую промежуточную частоту, ко- торая в большинстве случаев ниже частоты принимаемого сигнала.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U1(t) |
|
|
|
|
|
|
|
U (t) |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
ВЦ |
|
|
|
|
|
УРЧ |
|
|
|
|
|
ПЧ |
3 |
|
|
УПЧ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U2 (t) |
|
|
|
|
|
|
|
U4 (t) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис 1.5. Структурная схема БВЧ радиоприёмника с преобразованием частоты
Основное усиление сигнала обеспечивается усилителем промежу- точной частоты (УПЧ).
В диапазонных приёмниках входную цепь, УРЧ и ПЧ перестраи- вают таким образом, чтобы промежуточная частота при этом остава- лась неизменной.
Блоки, входящие в состав изображённой на рис. 1.5 схемы, вы- полняют следующие функции.
Входная цепь обеспечивает:
а) согласование антенно-фидерного тракта с УРЧ; б) предварительную частотную фильтрацию полезного сигнала от
помех по так называемым паразитным (побочным) каналам приёма.
Усилитель радиочастоты обеспечивает:
а) предварительное усиление сигнала на частоте несущей (радио- частоте), необходимое для повышения шумовой чувствитель- ности радиоприёмника;
б) (совместно с входной цепью) частотную фильтрацию полезно- го сигнала от помех по паразитным каналам приёма.
Преобразователь частоты выполняет перенос спектра принято-
Общие сведения о радиоприёмных устройствах |
1-9 |
го сигнала на фиксированную промежуточную частоту.
Усилитель промежуточной частоты обеспечивает:
а) основное усиление сигнала на промежуточной частоте; б) частотную фильтрацию полезного сигнала от помех по так на-
зываемым соседним каналам приёма.
Преобразователи частоты впервые были применены в 1913 г., они служили для преобразования в приёмных устройствах колебаний радиочастоты в ко- лебания звуковой частоты, пригодные для слухового приёма. Такие приём- ники назывались гетеродинными. Когда позже, в 1917-18 гг., дополнитель- но было введено предварительное преобразование радиочастоты в проме- жуточную частоту, приёмники стали называть супергетеродинными. В дальнейшем это название сохранилось для всех приёмников с преобразова- нием частоты в додетекторном усилительном тракте. Начиная с 1926-30 гг. супергетеродинные приёмники получают широкое распространение.
Основные сведения о преобразователе частоты
Преобразователь частоты со- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
стоит из преобразовательного эле- |
uс (t) |
|
|
|
|
|
|
uп (t) |
|||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
мента (ПЭ), гетеродина (Г) и |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
фильтра. |
Преобразовательный |
fс |
|
|
|
|
|
|
|
fп |
|||
элемент – |
это нелинейное устрой- |
|
|
|
|
uг (t) |
|
||||||
|
|
|
|
||||||||||
ство (диод, транзистор, микросхе- |
|
|
|
|
|
fг |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
ма). Гетеродин – |
маломощный ис- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
точник гармонических колебаний: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
автогенератор или синтезатор час- |
Рис. 1.6. Преобразователь частоты |
||||||||||||
тоты. Фильтр – |
избирательная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
цепь, настроенная на промежуточную частоту. Преобразовательный элемент вместе с фильтром образует смеситель (См).
На смеситель действуют два колебания с частотами fс и fг. В ре- зультате их нелинейного взаимодействия в выходной цепи смесите- ля образуется множество колебаний с комбинационными частотами
f = mfс ± nfг .
Фильтр пропускает на выход ПЧ одно единственное колебание с вы- бранной нами промежуточной частотой.
Идеальный преобразовательный элемент должен выполнять операцию перемножения напряжения сигнала и напряжения гете- родина. Получим выражение для выходного колебания такого ПЧ. Напряжение сигнала в общем случае имеет некоторую амплитуд- ную и угловую модуляцию:
Общие сведения о радиоприёмных устройствах |
1-10 |
uс (t) = Uс (t) cos (ωсt + ϕс (t)) .
Начальную фазу колебания гетеродина считаем нулевой: uг (t) = Uг cos ωгt .
Тогда напряжение на выходе преобразовательного элемента, кото- рый мы считаем идеальным перемножителем, будет равно
uПЭ (t) = Uс (t) cos (wсt + jс (t)) ×Uг cos wгt = |
|
|||||||||
= |
1 |
U |
с (t)U |
г cos ((wс |
- wг )t + jс |
(t)) + |
1 |
U |
с (t)U |
г cos ((wс + wг )t + jс (t)) |
|
|
|||||||||
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
Таким образом, на выходе ПЭ получаются два колебания, парамет- ры которых (амплитуда и фаза), изменяются так же, как и у сигнала. Выделяя одно из этих колебаний с помощью фильтра, получим сиг- нал промежуточной частоты:
uп (t) = KпUс (t) cos (wпt + jс (t)),
где Kп – коэффициент передачи ПЧ. У сигнала промежуточной час- тоты сохраняются законы амплитудной и угловой модуляции.
В зависимости от величины промежуточной частоты могут быть три разновидности радиоприёмников с преобразованием час- тоты:
fп < fс |
|
fп > fс |
|
fп = 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Основной тип радиоприёмника с преобразованием частоты – супергетеродин, для которого fп < fс . Выбирая из множества комби- наций вида mfс ± nfг промежуточную частоту, следует руководство- ваться следующими соображениями.
1)Промежуточная частота должна быть достаточно низкой. Поэтому в качестве промежуточной частоты целесооб-
разно выбирать разностную комбинацию: