dsd11-12 / dsd-12=Проектирование РЧ КМОП ИС / old / Лекция 1

Лекция 1.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ РАДИО. ОСНОВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛА В РАДИОПРИЕМНОМ ТРАКТЕ

Краткая история возникновения радио

Свою историю радио начинает с экспериментов Герца по проверке уравнений Максвелла. Передатчик Герца состоял из катушки индуктивности, искрового разрядника и простейшей антенны. В качестве приемника использовался резонансный контур с антенной и разрядником. О наличии передачи можно было судить по видимому искровому разряду в приемнике. Нет нужды говорить, что дальность этой системы вследствие крайне низкой чувствительности приемника была мала (реально в пределах комнаты).

Далее опыты продолжил Маркони. Он использовал тот же передатчик, что и Герц, однако в приемнике он применил когерер (соhеrеr) изобретенный в 1890 г. Брэнли (Вrаnly). Когерер представлял собой стеклянную трубку, наполненную слегка окисленным металлическим порошком. Сопротивление когерера резко изменялось при воздействии высокочастотного переменного тока. Этот приемный тракт (рис.1.1) позволял осуществлять прием телеграфных сигналов. На основе когерера в 1895 году А.С. Попов продемонстрировал первое в мире практически значимое радиоприемное устройство.

Работы над совершенствованием когерера (несовершенными контактами) привели к изобретению полупроводниковых диодов на точечных контактах (1901-1904, Воsе). Вследствие своей широкополосности эти системы принимали большое количество помех, что крайне затрудняло их практическое использование. Введение резонансного контура позволило улучшить качество связи. Однако отсутствие достаточного усиления в приемном тракте вынуждало увеличивать мощность передатчиков вплоть до мегаватт (к концу первой мировой войны).

Этот недостаток заставлял непрерывно работать инженерную мысль над совершенствованием приемных трактов. К 1906 году широкое применение нашли приемники на основе диодов с точечным контактом (рис.1.2). Этим же временем датируется первая в мире аудио радиотрансляция. В 1907 году был запатентован первый в мире электронный прибор, способный усиливать сигналы (электронная лампа - триод). Схема простейшего приемника на основе триода приведена на рис.1.3.

В 1912 Э. Армстронг построил регенеративный приемник с использованием триода. За счет использования положительной обратной связи ему удалось существенно повысить чувствительность и селективность приемного тракта.

Рис.1.1 Приемник на основе когерера

Рис.1.2 Приемник на основе полупроводникового диода

Рис.1.3 Приемник на основе триода

Однако на высоких частотах было трудно получить достаточное усиление. Э. Армстронг использовал известный к тому времени гетеродинный принцип (использовавшийся до этого в основном для "озвучивания" телеграфных сигналов) для преобразования высокой частоты в более низкую промежуточную. Он назвал свою систему супергетеродинном (1917), который доминировал в качестве базовой архитектуры в течении всего прошлого столетия (рис.1.4). В то же время, были изобретены нейтродин, рефлексный приемник, сверхрегенеративный приемник, которые при минимальном числе деталей позволяли получать впечатляющие результаты по чувствительности приемного тракта.

Назначение радиоприемного тракта

Радиосигнал, несущий полезную информацию, на входе радиоприемного тракта обычно мал и содержится в смеси с помехами, которые могут многократно превосходить его по мощности. Передаваемое сообщение соответствует модулирующему колебанию и в явном виде во входном радиосигнале не содержится. Поэтому в радиоприемном тракте необходимо решать задачи:

1. выделения полезного сигнала из смеси его с помехами;

2. выделения модулирующей функции;

3. выделения передаваемой информации из модулирующей функции и ее преобразование к удобному для дальнейшего использования виду.

Изучение вопросов выделения передаваемой информации из модулирующей функции выходит за рамки данного курса, так как она обычно решается методами низкочастотной аналоговой интегральной схемотехники, а в настоящее время все чаще с помощью цифровых сигнальных процессоров.

Решение перечисленных задач в радиоприемном тракте осуществляется с помощью следующих функций:

1. избирательности – выделения полезного сигнала из смеси “сигнал+помеха”, в соответствии с некоторым различием их физических свойств;

2. демодуляции – выделения модулирующего колебания из колебания радиосигнала высокой частоты;

3. усиления полезного сигнала;

4. частотного преобразования радиосигнала в область частот, оптимальную для его обработки;

5. адаптации к изменяющейся электромагнитной обстановке.

Основные преобразования сигнала в радиоприемном тракте.

Совокупность колебаний, действующих в тракте радиочастоты, образует сложный процесс, который называется групповым сигналом. В общем случае групповой сигнал содержит полезное принимаемое колебание, а также все остальные колебания, являющиеся помехам радиоприему.

Групповой сигнал снимаемый с антенны 1 (рис.1.4) содержит в своем составе помехи, которые могут многократно превосходить полезный сигнал. Для того, чтобы избежать перегрузки входных цепей и подавить нежелательные каналы приема входной сигнал проходит через цепи предварительной селекции (преселектор 2).

1

7

.

2

3

4

5

8

6

Рис.1.4 Упрощенная структурная схема радиоприемного тракта (супергетеродин).

Преселектор является пассивным фильтром, выполненным с использованием индуктивных элементов, емкостей и полосковых линий. Как правило, преселектор является широкополосным по сравнению с шириной канала, и его селективности не достаточно для выделения желаемого канала приема. После прохождения преселектора оказываются в значительной степени подавлены внеполосные помехи.

Уровенъ полезного сигнала может оказаться сравнимым с уровнем шумов каскадов радиотракта. Для того, чтобы снизить влияние собственных шумов радиоприемного тракта, его входным каскадом как правило является малошумящий усилитель 3 (МШУ (LNA)) радиочастоты. Уровень собственных шумов МШУ в основном определяет чувствтельность тракта. Коэффициент усиления МШУ выбирается относительно небольшим (5-10 раз). Этому есть несколько причин.

Первая заключается в том, что при большом коэффициенте усиления помеха (которая нередко значительно превосходит по уровню полезный сигнал) может вывести МШУ из линейного режима работы. Это приводит к нежелательному взаимодействию составляющих группового сигнала.

Вторая причина – энергетическая, усиление на высоких частотах требует больших затрат мощности.

Если МШУ выполняется по схеме с резонансной нагрузкой, то усиливаются только те составляющие группового сигнала, которые принадлежат основной полосе приема.

Усиленный МШУ сигнал подается на смеситель 4. Смеситель переносит спектр группового сигнала в (промежуточную) область частот, в которой удобно и энергетически эффективно проводить его дальнейшую обработку. Промежуточная частота определяется частотами входного сигнала и гетеродина 6.

Как правило, промежуточная частота (ПЧ (IF)) лежит гораздо ниже частот основной полосы приема (радиочастоты (RF)). Исключение составляют радиоприемные тракты инфрадинного типа. В зависимости от конкретной архитектуры тракта таких преобразований (и, соответственно, промежуточных частот) может быть несколько. В области промежуточной частоты происходит выделение желаемого канала приема с помощью фильтров основной селекции (ФОС) 5. После ФОС, групповой сигнал содержит главным образом полезный сигнал, а также шумы, лежащие в полосе полезного сигнала, и, возможно, продукты нелинейного взаимодействия составляющих группового сигнала до ФОС.

Основное усиление полезного сигнала достигается в усилителе промежуточной частоты 7. Полезный сигнал усиливается до уровня, достаточного для нормальной работы демодулятора 8, в котором происходит восстановление модулирующей функции.

Общее усиление радиотракта обычно составляет 120-140 дБ. В ряде случаев используется система автоматической регулировки усиления (АРУ(AGC)) для повышения динамического диапазона тракта и оптимизации п

ФПЧ2

УПЧ2

ДЕМОДУЛЯТОР

ГЕТ.2

отребляемой мощности.