Романюк_Приемопередающие_устройства

УДК 621.396.6(075.8)

Р69

Рецензенты: канд. техн. наук Д.С. Очков;

канд. техн. наук, доц. Е.М. Добычина

Романюк В.А.

Р69 Приемопередающие устройства: учеб. пособие. - М.: МИЭТ, 2013. - 128 с.: ил.

ISBN 978-5-7256-0722-2

Изложены основные сведения о принципах построения, механизмах работы элемен-

тов радиопередатчиков и радиоприемников. Приведены технические требования, предъ-

являемые к приемопередающим устройствам, их структурные схемы. Рассмотрены физи-

ческие процессы, протекающие в приемниках и передатчиках. Значительное внимание уделено линейным и нелинейным устройствам и их особенностям, показана работа нели-

нейных элементов в режимах малых и больших амплитуд колебаний. Описана работа пас-

сивных и активных компонентов приемопередающих устройств - резонаторов, диодов,

транзисторов. Рассмотрены источники шумов в приемопередающих устройствах и их элементах. Приведены сведения о механизмах и режимах работы усилителей мощности на биполярных и полевых транзисторах. Даны основные сведения об источниках электро-

магнитных колебаний - автогенераторах и синтезаторах частоты. Подробно рассмотрены преобразователи частоты, показаны принципы построения смесителей частот на диодах и транзисторах.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Ра-

диотехнические системы», а также будет полезно при подготовке к семинарским заняти-

ям, лабораторным работам и экзаменам по дисциплине «Приемопередающие устройства».

2

Учебное пособие

Романюк Виталий Александрович

Приемопередающие устройства

Редактор А.В. Тихонова. Технический редактор Е.Н. Романова. Корректор Л.Г. Лосякова.

Подписано в печать с оригинал-макета 30.08.2013. Формат 60 84 1/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 7,42.

Уч.-изд. л. 6,4. Тираж 200 экз. Заказ 43.

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ.

3

Введение

Передатчики и приемники - это составные части радиотехнических систем, в которых информация передается посредством радиоволн. Блок-схема одного из вариантов радио-

системы, а именно связной радиостанции, приведена на рис.В1.

Рис.В1. Блок-схема радиостанции

Информация преобразуется в материальную форму - видеосигнал, который имеет низкочастотный спектр: речь ~ 3 - 3,5 кГц, музыка 20 - 20000 Гц, телевизионное изобра-

жение (в России) 0 - 6 МГц и т.д.

Непосредственно излучать видеосигнал в пространство бесполезно, поскольку антен-

ны работают эффективно только в том случае, когда их геометрические размеры соизме-

римы с длиной волны колебаний излучаемых частот λ или больше длины волны. Для того чтобы антенна излучала направлено, требуется еще больше увеличивать ее размеры. Если учесть, что наименьшая длина волны колебаний звуковых частот составляет

С целью эффективного излучения спектр видеосигнала передвигают вверх по оси час-

тот, образуя радиосигнал. Эффективно излучаются радиосигналы, средняя частота кото-

рых составляет десятки и сотни мегагерц, единицы, десятки и сотни гигагерц.

Радиосигнал образуется из видеосигнала следующим образом. В передатчике имеется высокостабильный высокочастотный генератор, называемый генератором несущей частоты, а также модулятор, в котором под действием видеосигнала измен я-

ется один из параметров высокочастотных колебаний - амплитуда, частота или фаза.

Кроме того, для достижения требуемой дальности радиосистемы нужно усили ть мощность радиосигнала, поступающего в передающую антенну. Таким образом, о с-

новное назначение передатчика следующее:

генерация высокочастотных электромагнитных колебаний;

модуляция колебаний передаваемым сообщением, т.е. преобразование видеосигнала

врадиосигнал;

усиление мощности радиосигнала.

4

Помимо генератора и модулятора, в передатчике имеются устройства обработки видеосигнала, каскады усиления мощности колебаний, могут быть умножители и д е-

лители частоты, сумматоры и делители мощности, вентили и другие устройства. Ино-

гда удобно модулировать не несущую частоту, а более низкую - промежуточную. В

этом случае в передатчике включают повышающий преобразователь ( up-converter),

перемещая спектр на излучаемую частоту.

При проектировании передатчиков используются следующие параметры.

1. Диапазон рабочих частот fmin - fmax.

мальное отклонение рабочей частоты от номинального значения под действием дестаби-

лизирующих факторов.

3. Выходная мощность передатчика Pпер.

4. Промышленный КПД η = Pпер , где P0 - мощность, потребляемая передатчиком от

P0

Рвн - излучение передающей антенны вне рабочей полосы.

Кроме того, нужно задать вид модуляции и параметры модулирующих видеосигналов.

В приемник радиосигнал поступает с существенно ослабленной мощностью. Помимо слабого полезного радиосигнала, в приемной антенне имеются помехи, наведенные извне,

либо собственные. Для того чтобы надежно принять сигнал, необходимо обеспечить неко-

торое минимальное отношение мощности сигнала к мощности шума (так называемое от-

ношение сигнал/шум). Основное назначение приемника - выделить сигнал из помех, а по-

лезную информацию - из сигнала.

Главными параметрами приемников являются следующие.

2.Коэффициент шума N, который определяет отношение сигнал/шум в приемнике.

3.Чувствительность - способность принимать слабые сигналы. Количественно чувст-

вительность определяется минимальной мощностью Pmin или минимальной амплитудой напряжения на входе приемника (или минимальной напряженностью E в антенне), при ко-

торых на выходе приемника отношение мощности сигнала к мощности шума достаточно для извлечения информации из принимаемого сигнала.

5

4. Избирательность - способность приемника выделять полезный сигнал из других сигналов, наведенных в приемной антенне. Количественно избирательность оценивается выраженным в децибелах отношением мощности колебаний, принятых на частоте, от-

строенной от частоты сигнала fc на некоторое значение ∆f, к мощности, принятой на час-

тоте сигнала:

d = 10lg P( f ) [дБ]

Pc

при одной и той же амплитуде колебаний на выходе приемника.

Если частота побочного сигнала известна, то избирательность приемника можно оце-

нить отношением чувствительности к побочному каналу к чувствительности к основному каналу:

d 20lg Uпоб [дБ],

Uc

где Uпоб - минимальная амплитуда (чувствительность) побочного канала; U c - минималь-

ная амплитуда радиосигнала.

5. Динамический диапазон

D = 10lg Pmax [дБ],

Pmin

где Pmax, Pmin - максимальная и минимальная мощность на входе приемника.

В радиоприемнике, кроме усилителей, определяющих чувствительность, фильтров,

обеспечивающих избирательность, имеются и другие устройства. Прежде всего это пони-

жающие преобразователи частоты (down converter), гетеродины, демодуляторы, декодеры и др.

6

1. Функциональные схемы

передатчиков и приемников

1.1.Схемы радиопередатчиков

Впередатчике происходят следующие основные процессы: генерирование колебаний высокой частоты (ее называют несущей, поскольку она несет информацию), формирование радиосигналов и увеличение их мощности [1]. Обобщенная блок-схема передатчика пред-

ставлена на рис.1.1.

Рис.1.1. Блок-схема радиопередатчика

Поскольку к генератору высокой или сверхвысокой частоты применяют требование вы-

сокой частотной стабильности, в состав устройства генерирования должен входить опорный высокостабильный (например, кварцевый) генератор. Наиболее стабильными являются квар-

цевые генераторы, частота которых находится в диапазоне 2 - 10 МГц, худшую стабильность имеют кварцевые генераторы до частот в сотни мегагерц.

Генерировать высокостабильные высокочастотные колебания возможно, по крайней мере, двумя способами:

умножать частоту кварцевых генераторов;

применять синтезаторы частот на базе генераторов, управляемых напряжением

(ГУН), охваченных петлей фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), стаби-

лизированных кварцевыми генераторами (рис.1.2).

Формировать радиосигналы, т.е. модулировать колебания несущей частоты, возможно либо на малом уровне мощности там же, где и генерируется высокая частота, либо при высо-

ких мощностях на выходе передатчика. В некоторых случаях радиосигналы формируют на пониженной (промежуточной) частоте, а затем происходит перенос спектра сигнала на несу-

щую частоту в повышающем преобразователе частот (рис.1.3).

7

Рис.1.2. Функциональные схемы устройств генерирования колебаний несущей частоты: а - схема с умножением частоты; б - ГУН с ФАПЧ

Рис.1.3. Блок-схема передатчика с повышающим преобразователем частоты

Для увеличения выходной мощности применяют каскадное соединение усилительных

каскадов и устройства суммирования, как правило, мостовые сумматоры-делители

(рис.1.4).

Рис.1.4. Схемы увеличения выходной мощности в передатчиках: а - каскадное соединение усилителей; б - суммирование мощностей мостовыми устройствами

8

В схеме на рис.1.4,а выходная мощность равна мощности выходного каскада, а в схе-

ме на рис.1.4,б она почти в n раз больше, где n - число выходных каскадов. В современных передатчиках вместо выходных сумматоров часто применяют излучатели. В результате суммирование мощностей осуществляется в пространстве. Если последовательно с усили-

телями включить управляемые фазовращатели, то появляется возможность сканирования,

т.е. перемещения луча (рис.1.5). Выходная часть передатчиков в этом случае называется активной фазированной антенной решеткой (АФАР).

Рис.1.5. Функциональная схема АФАР

1.2. Схемы радиоприемников

Существует несколько стандартных схем радиоприемников [2]. Простейшим вариан-

том является детекторный приемник (рис.1.6).

Рис.1.6. Функциональная схема детекторного приемника (ФНЧ - фильтр нижних частот, УНЧ - усилитель низкой частоты, ОУ - оконечное устройство)

В детекторном приемнике радиосигнал сразу поступает на детектор, где выделяется с помощью ФНЧ видеосигнал, усиливается и поступает на оконечное устройство. Продол-

жением детекторного является приемник прямого усиления (рис.1.7).

Рис.1.7. Радиоприемник прямого усиления

9

Отличие приемника прямого усиления от детекторного состоит в том, что здесь про-

исходит усиление входного радиосигнала и его фильтрация преселектором-фильтром, на-

строенным на несущую частоту.

Более совершенным является супергетеродинный приемник, где происходит преобра-

зование входной частоты в более низкую - промежуточную, на которой и осуществляется основное усиление и фильтрация (рис.1.8).

Рис.1.8. Функциональная схема супергетеродинного приемника (ППФ - полосно-пропускающий фильтр)

Несущая частота понижается в преобразователе частот, состоящем из смесителя и ге-

нератора приемника, называемого гетеродином. На промежуточной частоте можно осу-

ществить большее усиление и более качественную фильтрацию.

10