3. Способы повышения избирательности рпму прямого усиления

главный и принципиальный недостаток приемника прямого усиления: непостоянство избирательности приемника по диапазону. Именно поэтому, приемники прямого усиления применяются только в случаях малого коэффициента перекрытия по диапазону или для приема сигналов на фиксированной частоте. В последнем случае часто становится возможным обеспечить нужную избирательность за счет построения неперестраиваемой сложной избирательной цепи. В большинстве случаев, особенно в области высоких частот (10-100МГц), реализовать приемники прямого усиления и для фиксированной частоты становится невозможно. Это объясняется быстрым ростом требуемой добротности избирательной системы с увеличением частоты при ограничении на полосу пропускания.

4. Анализ входной цепи

Входная цепь (ВЦ) – промежуточная цепь между антенной и первым каскадом приемника. Она служит для передачи сигнала от антенны на вход первого каскада приемника, причем эта передача должна быть эффективной. Эффективная передача означает обеспечение максимальной передачи мощности, максимального отношения сигнала к шуму, наилучшей избирательности при заданной полосе пропускания, максимального коэффициента передачи при заданных пределах изменения параметров антенны и т. д.

ВЦ можно классифицировать:

• по способу построения – избирательные и апериодические (последние не обладают избирательными свойствами, они не могут применяться в условиях действия радиопомех);

• по числу резонансных контуров, настроенных на частоту сигнала, – одноконтурные, двухконтурные и многоконтурные;

• по способу настройки – ВЦ с дискретной, ступенчатой и с плавной настройкой;

• по способу связи с антенной – простые, в которых параметры антенны и усилительного прибора (УП) непосредственно входят в состав избирательных цепей и сложные, в которых связи с антенной (А) или УП с избирательной цепью уменьшены.

• по виду связи с антенной и УП различают сложные ВЦ с трансформаторной, автотрансформаторной, емкостной и комбинированной связью;

• по конструктивному оформлению избирательных цепей – на цепи с сосредоточенными и распределенными параметрами.

Технические характеристики ВЦ.

Коэффициент передачи напряжения K – отношение входного напряжения первого каскада к ЭДС, подводимой из антенны:

.

При резонансе модуль коэффициента передачи максимален и называется резонансным коэффициентом передачи

.

Коэффициент избирательности δ – отношение входного напряжения при расстройке к входному напряжению при резонансе при условии, что ЭДС антенны остается постоянной (E_A = const):

.

Коэффициент шума ВЦ К_ш – это отношение суммарной мощности шума антенны P_шА и входной цепи P_ш.вх к мощности шума антенны P_шА, пересчитанной к входу первого каскада приемника:

К_ш = (P_шА + P_ш.вх)/P_шА = 1 + P_ш.вх/P_шА.

Можно показать, что коэффициент шума ВЦ, как и любой пассивной цепи, равен обратному значению коэффициента передачи мощности (К_р).

ВЦ необходимо настраивать на любую рабочую частоту в заданном диапазоне. Отношение максимальной частоты настройки f_0max к минимальной f_0min называют коэффициентом перекрытия диапазона K_Д = f_0max / f_0min.

При анализе ВЦ также могут рассматриваться зависимости:

• резонансного коэффициента передачи от частоты настройки К₀ = φ(f);

• избирательности от частоты δ = φ(f),

а также постоянство показателей ВЦ при изменении параметров антенны и УП, нагружающего ВЦ.

Указанные зависимости позволяют судить о качестве работы ВЦ. Идеальная ВЦ обеспечивает постоянство значений всех своих параметров не зависимо от частоты настройки и изменения параметров антенны и УП. На практике такое постоянство параметров к сожалению невозможно, поэтому важно знать и понимать характер зависимостей основных параметров ВЦ от внешних и внутренних факторов и уметь по возможности их компенсировать, либо учитывать при проектировании и эксплуатации РПМУ.

5. Фазовый детектор

Принцип действия ФД заключается в амплитудном детектировании двух напряжений: одного, поступающего от местного гетеродина, называемого опорным, и другого, поступающего с выхода УПЧ приемника той же частоты, но модулированного по фазе. Оба напряжения подаются на амплитудный детектор, который может быть на одном диоде или быть построенным по балансной схеме. В первом случае получается простейший фазовый детектор с сильно нелинейной детекторной характеристикой, что ограничивает область его практического применения. В схеме с балансным детектором параметры получаются значительно лучше, что предопределяет её широкое применение. В этом случае фазовый детектор очень похож на рассмотренный выше синхронный детектор.

Рис. 4.21. Схема принципиальная электрическая фазового детектора и векторная диаграмма напряжений.

Ha pис. 4.21, а показана схема балансного ФД и векторная диаграмма (рис. 4.21, б) его преобразователя ФМ – AM, аналогичная рассмотренной ранее векторной диаграмме (см. рис. 4.20, в). Две другие векторные диаграммы преобразователя ФМ – AM будут аналогичными диаграммам, приведенным на рис. 4.20, а, б, поэтому здесь не приводятся.

При поступлении от УПЧ на ФД напряжения, модулированного по фазе, угол сдвига фаз φ между ибудет становиться то больше, то меньше 90⁰, что приведет к неравенству напряжений и. Следовательно, выходное напряжение будет равно разности выходных напряжений плеч (наR1 и R2): . Изменение выходного напряжения будет пропорциональноизменению фазы колебания высокой частоты. Другими словами, в данной схеме наличие фазовой модуляции в принимаемом сигнале нарушает симметрию приложенных к диодам напряжений, что влечет за собой изменение протекающих через них токов и, соответственно, различие в напряжениях U₁ и U₂.

Фазовые детекторы не применялись в радиовещании, но с переходом на цифровые технологии формирования и передачи радиовещательных сигналов интерес к ним возрастает, так как в цифровых системах радиовещания широко применяются методы фазовой модуляции.

6. Способы повышения чувствительности РПУ прямого усиления

Второй проблемой приемника прямого усиления является снижение устойчивости его работы на высоких частотах. Это следует из того, что с ростом значения частоты коэффициент усиления у всех типов электронных и полупроводниковых усилительных приборов снижается, а влияние проводимости Y₁₂ , посредством которой возникает паразитная обратная связь, вызывающая возбуждение усилительных каскадов, возрастает. Попытка уменьшить коэффициенты усиления каждого из каскадов для повышения устойчивости их работы так же не позволяют решить эту проблему, так как для сохранения суммарного коэффициента усиления всего ТРЧ потребуется увеличить число каскадов в УРЧ. Такой путь решения проблемы также неприемлем, поскольку возникают проблемы с построением избирательных цепей, что будет в дальнейшим доказано при изучении УРЧ. В результате можно сделать вывод, что усилительные свойства, а, следовательно, и чувствительность приемника прямого усиления с ростом частоты ухудшается. Это является его вторым недостатком, который также принципиально неустраним.

7. Входная цепь с индуктивной связью

1. Вц с индуктивной и комбинированной связью с антенной

На рис. 2.6, а показана эквивалентная схема ВЦ при индуктивной связи контура с антенной (рис. 2.6, б). Так как индуктивность антенны L_A значительно меньше индуктивности связи L_св, то она в эквивалентной схеме не показана. Полученная схема представляет собой схему двух связанных расстроенных контуров.

Антенный контур (при проектировании приемника) настраивается на постоянную частоту .

Частота входного контура изменяется в заданном диапазоне с помощью переменного конденсатораС.

Связь контура ВЦ с УП автотрансформаторная, как и в схеме с емкостной связью антенны с контуром, что учитывается коэффициентом включения р_вх и изменением собственных параметров контура до значений R = R_к+∆R и С = С_к+∆С.

Преобразовав схему, приведенную на рис. 2.6,а по теореме об эквивалентном генераторе, определим напряжение эквивалентного генератора U в точках а и б при отключенной нагрузке U = I_AωM, где M – коэффициент взаимной индукции.

Ток в цепи антенного контура I_A = E_A/ Z_A, тогда U = E_A (ωM/Z_A),

где (R_A значительно меньше реактивного сопротивления антенного контура и его влиянием на Z_A можно пренебречь). После соответствующей подстановки и, учитывая, что 1/L_свC_A = ω²_A, получим:

.

Так как коэффициент взаимоиндукции

,

а ω_A = 2πf_A и ω = 2πf , то, подставив их значения в вышестоящее выражение, будем иметь

(2.7)

Пользуясь эквивалентной схемой, установим основные параметры (характеристики) ВЦ.

Коэффициент передачи напряжения. Согласно определению и с учетом коэффициента автотрансформаторного включения р_вх коэффициент передачи напряжения K = U_L р_вх/E_A

При резонансе напряжение на индуктивности U_L0 и напряжение на емкости U_C0 равны. Поэтому для рис. 2.6,в резонансный коэффициент передачи напряжения

K = U_C0 р_вх/E_A (2.8)

Но напряжение U_C0 на выходе эквивалентного контура (рис. 2.6,в) при резонансе превышает напряжение эквивалентного генератора в Q_эк раз.

Тогда U_C0 = UQ_эк и K₀ = U_эк р_вх/Е_А.

Рис.2.6. Индуктивная связь антенны с контуром ВЦ.

Подставив в выражение (2.8) U, получим

(2.9)

Формула (2.9) дает возможность вычислить коэффициент передачи напряжения и степень его постоянства по диапазону. Воспользуемся (2.9) для определения постоянства К₀ в заданном диапазоне. Пусть f_min и f_max – соответственно наименьшая и наибольшая частоты диапазона (поддиапазона). Подбирая индуктивность связи L_св, можно осуществить любой из трех случаев (рис. 2.6,г):

• f_А < f_min, (λ_А > λ_min) – кривая 1;

• f_А > f_min, (λ_А < λ_min) – кривая 2;

• f_min < f_А < f_max (λ_max > λ_А > λ_min) – кривая 3.

В первом случае собственная частота антенной цепи меньше наименьшей частоты диапазона (собственная длина волны антенной цепи больше наибольшей длины волны диапазона). Это так называемый случай приема на удлиненную антенну. Во втором случае собственная частота антенной цепи больше наибольшей частоты диапазона (собственная длина волны антенной цепи меньше минимальной длины волны диапазона) – случай приема на укороченную антенну. В третьем случае собственная частота антенной цепи находится в пределах диапазона. При приеме на удлиненную антенну коэффициент передачи напряжения в пределах диапазона значительно более постоянен, чем при приеме на укороченную антенну. Поэтому в подавляющем большинстве производят прием на удлиненную антенну, т.е. собственную частоту антенной цепи f_А выбивают меньше минимальной частоты поддиапазона f_min. Такой выбор целесообразен и потому, что коэффициент передачи напряжения при этом плавно убывает при увеличении частоты. Убывание коэффициента даже желательно, так как в каскадах усиления высокой частоты оно будет скомпенсировано. Иначе говоря, при выборе f_А < f_min легче получить постоянство чувствительности радиоприемника в заданном диапазоне частот.

Третий случай (кривая 3), когда собственная частота антенной цепи находится в пределах от f_min до f_max, на практике не используется, так как коэффициент передачи напряжения оказывается не постоянным: то возрастает, то убывает в пределах диапазона.

Избирательность ВЦ при индуктивной связи антенны с контуром приближенно определяется избирательностью эквивалентного контура R, L, C с добротностью Q_эк, причем Q_эк выбирают равной (0,8—0,9)Q, где Q – добротность контура ВЦ. Этим учитывается влияние активного сопротивления, вносимого из антенного контура в контур ВЦ.

Избирательность и полоса пропускания ВЦ определяются по формулам (2.4) и (2.6).

Полоса пропускания может быть приблизительно определена из соотношения П = f₀/Q_эк.

Влияние антенны на контур ВЦ незначительно, что объясняется слабой связью. Однако антенна вносит в контур ВЦ реактивное сопротивление и вызывает изменение его настройки. Значение вносимой расстройки при изменении параметров антенны под влиянием различных внешних причин не является постоянным.

Рис. 2.7. Комбинированная связь антенны с контуром и изменение коэффициента передачи напряжения в диапазоне частот при связи: 1 – индуктивной; 2 – комбинированной; 3 – емкостной.

Подбирая коэффициент связи между контурами добиваются, чтобы эта расстройка была минимальной.

Индукционно-емкостная (комбинированная) связь антенны с контуром (рис. 2.7,а) применяется в тех случаях, когда требуется получить сравнительно постоянный коэффициент передачи напряжения в заданном диапазоне частот. В этой схеме, кроме индуктивной связи, осуществляемой через катушку L_св, используют связь через конденсатор связи С_св. В результате одновременного действия обоих видов связи коэффициент передачи напряжения получается большим и почти постоянным по диапазону (рис. 2.7,б). Собственная частота антенной цепи выбирается несколько меньше минимальной частоты настройки контура.

8. Детектирование сигналов с однополосной модуляцией

Г. Детектирование радиосигналов с балансной модуляцией и однополосной модуляцией.

Теоретические основы детектирования радиосигналов с подавленной несущей были рассмотрены выше (п.4.1.3.А). Выводы, сделанные там, свидетельствуют о том, что восстановление несущей проще всего осуществить с помощью синхронного детектирования радиосигналов, однако при этом необходимо знать фазу несущей для синхронизации местного гетеродина. Решить эту задачу при полностью подавленной несущей невозможно, поэтому на передающей стороне при формировании БМ и ОМ сигналов несущее колебание подавляется не полностью, а лишь существенно снижается его уровень. Остаток неподавленной несущей и используется для управления частотой местного гетеродина (подстройки его частоты), поэтому его принято называть пилот-сигнал.

При наличии пилот-сигнала детектирование БМ и ОМ-сигналов производится с помощью синхронного детектора точно так же, как и сигнала с амплитудной модуляцией. При этом детектор должен быть обязательно построен по балансной схеме. Требования к точности восстановления частоты несущего колебания определяются видом передаваемой информации и были рассмотрены в п.п. 4.1.3.А, Б.

При отсутствии радиопомех сигнал с балансной модуляцией можно принимать и другим способом, который позволяет осуществить достаточно точное детектирование [3]. Рассмотрим этот способ.

Рисунок 4.16. Временные диаграммы, поясняющие процесс детектирования БМ-сигнала.

На рис. 4.16, а показана диаграмма полного АМ колебания с амплитудой несущей U₀. Если несущая подавлена, то колебание изменяется так, как показало на рис. 4.16, б. В результате обычного амплитудного детектирования этого колебания напряжение на выходе детектора принимает форму, изображенную на рис. 4.16, в; его переменная составляющая изменяется по закону модуля передаваемого сообщения. С физической точки зрения она содержит вторую и более высокие гармоники, но вовсе не содержит составляющей с частотой модуляции. Для преобразования этого напряжения в передаваемое сообщение в специальные моменты времени, когда напряжение на рис. 4.16, в падает до нуля (t₁, t₂ и т.д.), формируются управляющие импульсы, показанные на рис. 4.16,г. Схема преобразования продектированного сигнала приведена на рис. 4.17, где К-ключ, а УУ-устройство, управляющее электронным ключом. Каждый импульс на рис. 4.16,г переводит ключ из одного положения в другое. В результате в моменты времени t₁, t₂ и др. полярность напряжения меняется на обратную и получается сигнал вида рис. 4.16, д, соответствующий передаваемому сообщению, что и требуется.

Рисунок 4.17. Схема детектора БМ-сигнала с преобразованием выходного сигнала.

Достоинством такого способа приема является отсутствие необходимости точного восстановления подавленной несущей сигнала. Недостатком схемы следует считать ее низкую помехоустойчивость, так как напряжение шумов искажает сигнал на выходе диодов и затрудняет определение моментов времени, в которые формируются управляющие импульсы.

В заключение необходимо отметить, что рассмотренные схемы синхронного приема являются упрощенными и отражают физическую сущность протекающих в них процессов. Практические схемы намного сложнее, особенно в части, касающейся управлением частотой и фазой местного гетеродина. Известны различные схемные решения этой задачи: схема Пистолькорса, схема Костасса и др. Конкретная реализация таких устройств в данном пособии рассматриваться не будет, поэтому студентам предлагается изучить их самостоятельно по [1-3].

9. Методика определения коэффициента усиления

10. Анализ входной цепи с комбинированной связью