2. Компрессия сигнала в радиоприемнике. Параметры, определяющие динамический диапазон приемника по основному каналу приема

В общем случае под компрессией сигнала понимают уменьшение коэффициента усиления (передачи) прибора: усилителя (блока, приемника) – при сильных входных сигналах.

Зависимость уровня сигнала на выходе прибора от уровня сигнала на его входе представляет амплитудную характеристику каскада. Амплитудная характеристика может отображать зависимость между амплитудами или среднеквадратическими значениями сигналов на входе и выходе прибора (при синусоидальных входных сигналах). Однако чаще амплитудная характеристика отображает зависимость между мощностью сигнала на входе и выходе прибора. Если мощности сигналов измерять в децибелах относительно милливатта [дБм], то в общем случае амплитудная характеристика имеет вид, представленный на рис. 9.2 кривой 1.

При относительно малых уровнях мощности сигнала на входе связь между входом и выходом прибора имеет вид

P_вых = P_вх + G, (9.4)

где G – коэффициент усиления прибора [дБ], который можно считать постоянной величиной.

Увеличение (уменьшение) уровня сигнала на 1 дБ на входе в этом случае приводит к увеличению (уменьшению) уровня сигнала на выходе тоже на 1 дБ. Эта зависимость графически изображается прямой линией с наклоном 1дБ_вых/дБ_вх. Однако с увеличением уровня входного сигнала правило «дБ на входе – дБ на выходе» нарушается. Приращение сигнала на выходе происходит более медленно, чем приращение на входе, и когда уровень входного сигнала прибора входит в зону полного его насыщения рост сигнала на выходе прекращается. Снижение скорости роста сигнала на выходе прибора говорит о снижении его коэффициента усиления. Коэффициент усиления больше нельзя считать величиной постоянной и его значение зависит от уровня сигнала на входе прибора.

Уровень входного сигнала, при котором коэффициент усиления снижается на 1 дБ, называетсяточкой компрессии 1 дБ, отнесенной к входу (P_{1 дБ, in} на рис. 9.2). Точка компрессии 1 дБ по входу указывает уровень сигнала на входе, при котором реакция прибора: усилителя, блока, приемника – на входной сигнал начинает существенно отклоняться от линейной (на рис. 9.2 это линия 2). Отклонение 1 дБ выбрано для определения верхней границы линейности приборов, поскольку, с одной стороны, это еще относительно небольшое отклонение, а с другой стороны, оно уже четко фиксируется измерительными приборами.

Измерение точки компрессии 1 дБ по входу РПУ из-за перегрузки полезным сигналом можно выполнить, отмечая уровень сигнала на входе (в режиме ручного усиления, т. е. при отключенной автоматической регулировке усиления (АРУ)), при котором уменьшение этого уровня на 10 дБ вызывает уменьшение уровня сигнала на выходе на 9 дБ (рис. 9.2). Шаг 10 дБ в определенном смысле является оптимальным, поскольку более мелкие изменения сигнала на входе затрудняют измерение точки компрессии 1 дБ из-за плавного изменения хода амплитудной характеристики. И наоборот, увеличение шага изменений входного сигнала может дать точку компрессии 1 дБ на уровнях, далеких от начала перегрузки по входу.

В зарубежных приемниках (анализаторах спектра, усилителях, блоках) точка компрессии 1 дБ по входу принимается за верхнюю границу динамического диапазона приемника (анализатора спектра, усилителя, блока) для полезного сигнала. В качестве нижней границы динамического диапазона приемника наиболее часто используется полная эквивалентная мощность шума на входе РПУ в наиболее узкополосной части приемника. При таком определении границ динамического диапазона сам диапазон можно рассчитать, используя выражение:

D = P_{1 дБ, in} + 174  10 lg (BW) – NF, (9.5)

где D – динамический диапазон приемника по основному каналу приема, дБ; P_{1 дБ, in} – точка компрессии 1 дБ по входу РПУ, дБм; BW – самая узкая полоса пропускания приемника, Гц; NF – коэффициент шума приемника, дБ.

Для отечественных радиоприемников верхняя граница динамического диапазона РПУ определяется максимальной мощностью входного сигнала, при которой нелинейные искажения на выходе приемника имеют заданную величину. В качестве нижней границы используется чувствительность приемника. Динамический диапазон приемника равен отношению максимальной мощности входного сигнала, при которой нелинейные искажения на выходе приемника имеют заданную величину, к чувствительности приемника. Это отношение обычно представляется в децибелах.

Наряду с точкой компрессии 1 дБ, отнесенной к входу, в ряде случаев, особенно для характеристики усилителей мощности (УМ) радиопередатчиков (РПД), может оказаться полезным такой параметр, как точка компрессии 1 дБ, отнесенная к выходу.

Уровень сигнала на выходе прибора [дБм], когда на его вход подан сигнал, соответствующий точке компрессии 1 дБ, отнесенной к входу, называется точкой компрессии 1 дБ, отнесенной к выходу (P_{1 дБ, out} на рис. 9.2):

P_{1 дБ, out} = P_{1 дБ, in} + G  1. (9.6)

Понятие точки компрессии 1 дБ может быть введено и для преобразователей частоты. Потери преобразования [дБ] в смесителе определяются как

L_см = P_RF – P_IF,

где P_RF – мощность сигнала на радиочастоте на входе смесителя, дБм; P_IF – мощность сигнала на промежуточной частоте на выходе смесителя, дБм.

При малых уровнях сигналов на входе смесителя потери преобразования остаются постоянными (рис. 9.3). Типичное значение потерь преобразования для смесителей, построенных на пассивных элементах (например, диодных смесителей) составляет 6…9 дБ. Однако, начиная с некоторого уровня сигнала на входе смесителя, наблюдается рост потерь преобразования. Уровень входного сигнала, при котором потери преобразования возрастают на 1 дБ, есть точка компрессии 1 дБ для смесителя.

Динамический диапазон смесителя измеряется в децибелах и определяет диапазон мощности входных сигналов, в пределах которого смеситель полезен. Нижняя граница динамического диапазона определяется уровнем собственных шумов, а верхняя – точкой компрессии 1 дБ смесителя. Обычно точка компрессии 1 дБ смесителя на 5…10 дБ ниже мощности гетеродина, поступающей на его вход (для пассивных смесителей). Поэтому смеситель с высоким уровнем мощности гетеродина имеет более высокую точку компрессии 1 дБ, чем смеситель с низким уровнем мощности гетеродина, а отсюда и более широкий динамический диапазон.

Приближенную оценку амплитуды сигнала, соответствующей точке компрессии 1 дБ, отнесенной к входу, можно получить из (9.3), полагая

u_вх(t) = U cos (t).

Подставив это значение u_вх(t) в (9.3), получим

u_вых(t) = a₁U cos (t) + a₂U²cos²(t) + a₃U³cos³(t) =

= (9.7)

Выделив в (9.7) составляющую входной частоты , получим

u_вых(t) = =(9.8)

В режиме очень малого сигнала исследуемый прибор: усилитель (блок, приемник)  считают линейным устройством и в передаточной функции для мгновенных значений, описываемой выражениями (9.2) или (9.3), членами, имеющими степень больше, чем единица, пренебрегают. Коэффициент усиления g исследуемого устройства в этом случае

g = a₁. (9.9)

С ростом амплитуды сигнала на входе на амплитуду сигнала на выходе начинают влиять члены полинома более высоких степеней, чем первая, и значение коэффициента усиления начинает зависеть, как от амплитуды сигнала U, так и от коэффициентов полинома при членах высоких порядков. Для рассматриваемого представления передаточной функции сигнала полиномом третьей степени (9.3) значение коэффициента усиления g₁, как следует из (9.8), будет иметь вид

g₁ = . (9.10)

Учитывая, что в практических радиотехнических устройствах обычно a₃ < 0, можно сделать вывод, что с ростом амплитуды сигнала U коэффициент усиления g₁< g. Оценим значение амплитуды сигнала на входе устройства, при котором коэффициент усиления g₁ будет меньше, чем g на 1дБ. Это значение амплитуды будет соответствовать точке компрессии 1 дБ, приведенной к входу, по напряжению U_{1 дБ, in}. Итак, имеем

20 lg g – 20 lg g₁ = 1.

Подставляя сюда значение g из (9.9) и g₁ из (9.10), получим

a₃=0.145a₁. (9.11)

Поскольку a₁ > 0, а a₃ < 0, то из (9.11) следует

, (9.12)

где точка компрессии 1 дБ, отнесенная к входу, представлена амплитудой входного сигнала через коэффициенты полинома (9.3), аппроксимирующего передаточную функцию мгновенных значений.