книги / Радиоприемные устройства.-1

Значение деятельности А.С. Попова в области техники радиоприема, разумеется, не ограничивается только созданием первого радиоприемника. Он, его ученики и сотрудни­ ки внесли существенный вклад в совершенствование схем первых РПУ и расширение об­ ласти их применения. Здесь, во-первых, следует отметить повышение чувствительности РПУ благодаря совершенствованию детектора, а также использованию колебательных контуров. При жизни А.С.Попова были проведены первые опыты применения радиоприе­ ма для радиосвязи на море, в воздухе, в военном деле, для целей радиометеорологии (ре­ гистрация радиоволн, возникающих в результате грозовой активности), обнаружения объектов, облученных радиоволнами, и др.

Уже с первых лет развития техники радиоприема основные усилия ученых и конст­ рукторов были направлены на увеличение радиуса действия РПУ. Прием слабых сигналов оказывался возможным только вследствие их усиления, а также придания радиоприемни­ ку функции избирательности полезного сигнала среди других сигналов и помех. Поэтому в РПУ используют резонансные колебательные системы (сначала одноконтурные, затем многоконтурные), а также электронные приборы, обладающие управляющей и усили­ тельной способностями. Первая электронная лампа - диод (изобретатель Дж. Флеминг) была создана в 1904 г. и нашла применение в качестве детектора РПУ. В 1907 г. Ли Де Фо­ рестом была изобретена первая усилительная электронная лампа (триод), существенно улучшившая чувствительность РПУ. Вследствие этого уже в годы первой мировой войны радиосвязь велась на расстояниях свыше тысячи километров.

Дальнейшему улучшению характеристик РПУ способствовали работы Э.Армстронга, Ли Де Фореста, К. Франклина, А. Мейсснера по регенеративному приему, в основе которо­ го лежит принцип компенсации потерь в колебательном контуре, настроенном на частоту полезного сигнала, что приводит к росту уровня выходного сигнала и улучшению избира­ тельных свойств радиоприемника.

Совершенствование регенеративного приема связано с именами советских ученых Л.И. Мандельштама и Н.Д. Папалекси, А.Л. Минца, П.Н. Куксенко.

Первые годы использования в РПУ триодов показали, однако, их недостаток - низ­ кую устойчивость усиления на высоких частотах (в 20-е годы таким частотам соответст­ вовали короткие волны, которые в то время осваивались для радиосвязи). Поэтому большое значение имело изобретение тетрода и особенно пентода, обладавших малыми проходными емкостями, что позволило применить их в относительно широком частотном диапазоне.

Этой же задаче способствовало другое значительное изобретение в технике РПУ - супергетеродинный метод приема, использующий преобразование частоты принятого ко­ лебания в другую частоту, более низкую, чем частота входного сигнала, что повышало усиление и избирательность РПУ. Хотя идея супергетеродинного приема была известна еще в 1918 г. (Э.Армстронг, ПЛеви, В.Шотки), однако ее широкое внедрение стало воз­ можным только в начале 30-х гг. в связи с созданием новых электровакуумных прибо­ ров - пентодов и многосеточных частотно-преобразовательных электронных ламп. С это­ го времени и до наших дней принцип супергетеродинного приема и его разновидности яв­ ляются основой для приема сигналов на всех освоенных диапазонах радиоволн.

Повышение качества и надежности приема способствовали развитию в ведущих стра­ нах, в том числе в СССР, в 30-40-х гг. серийного промышленного производства РПУ раз­ личного назначения: радиовещательных (родиной радиовещания является СССР), для ра­ диосвязи, радиолокации, электронного телевидения и тд .

Дальнейшее развитие техники ; радиоприема на новой совершенной компонентной базе привело к созданию и развитию новых направлений: освоению эффективных мето­ дов модуляции и соответствующих приемных устройств, разработке методов борьбы с помехами радиоприему.

В середине 30-х гг. была предложена и стала успешно внедряться частотная модуля­ ция. Значительный вклад в теорию и практику приема сигналов с ЧМ внесли советские ученые Ю.Б.Кобзарев, ИС.Гоноровский и др. В 30-40-е гг. были освоены также прием

радиоимпульсных сигналов (И.И.Изюмов, Я.Д.Ширман, Н.Н.Крылов и др.), телеграфных сигналов с улучшенным качеством (А.Н.Щукин, П.Н.Куксенко и др .), синхронный метод приема (Е.Г.Момот) и др.

Работа любого РПУ происходит в условиях мешающего действия флуктуационных шумов. В теорию приема на фоне шумов значительный вклад внесли В.И.Сифоров, В.И.Бунимович и др. В 40-е гг. проблема борьбы с помехами приобретает новое направ­ ление - начинается изучение и использование статистических характеристик сигналов и помех радиоприему, применение информационных подходов к задачам радиоприема. У истоков этого направления стояли Н.Винер, К.Шеннон, А.Н.Колмогоров, А.Я.Хинчин, Д.Норт, Р.Калман и др. Значительным событием было создание в 1946 г. В.А.Котельниковым теории потенциальной помехоустойчивости приема, которая позволила определил» наилучшие в некотором смысле алгоритмы и структуры обработки сигналов в РПУ в при­ сутствии различных видов помех.

На технику радиоприема в течение последних десятилетий большое влияние оказы­ вает развитие полупроводниковой электроники и микроэлектроники. Еще в 1899 г. А.СПопов использовал детекторные свойства пары металл-полупроводник. В 1922 г. О.В.Лосевым было обнаружено, что указанная пара, включенная определенным образом в колебательный контур приемника, приводит к резкому уменьшению его потерь и, таким образом, к улучшению чувствительности и избирательности радиоприемника. Однако понадобились десятилетия, прежде чем полупроводниковые приборы стали основной компонентной базой РПУ различных видов и назначений. Поводом к этому явилось преж­ де всего *изобретение полупроводникового триода (транзистора), что связано с именами Д.Бардина, У.Браттейна, У.Шокли (США, 1948 г.). В 60-х гг. начинает успешно развивать­ ся микроэлектроника, ставшая базой современной техники радиоприема. Внедрение в РПУ полупроводниковой и микроэлектроники позволило улучшить их массогабаритные характеристики, надежность, уменьшить энергопотребление, широко внедрять сложные, ранее не реализуемые принципы, устройства и функциональные блоки и т.д.

На всех этапах развития техники радиоприема опережающими были работы по раз­ витию теории и методов проектирования РПУ различного назначения. Здесь следует отме­ тить заслуги советских ученых А.ИБерга, Ю.Б.Кобзарева, Н.Н.Крылова, В.И.Сифорова, Л.Б.Слепяна, Н.Д.Папалекси и др.

В настоящее время развитие техники радиоприема идет по следующим основным на­ правлениям: а) освоение новых диапазонов волн, включая самый высокочастотный - оп­ тический; б) борьба с помехами приему, что связано с приемом все более слабых сигна­ лов (космическая радиосвязь, дальняя радиолокация и т д .) ; в) внедрение в РПУ мето­ дов цифровой техники, что позволяет повысить качество приема, его надежность, наде­ лить РПУ новыми функциями, унифицировать компонентную базу; г) существенное улучшение показателей качества РПУ, что дает возможность получить высокую надеж­ ность приема информации (для некоторых систем радиосвязи вероятность ошибки до­ стигла порядка 1СГ6) , воссоздать ’Ъффект присутствия*’слушателя на месте события в случае радиовещательного приема и т.д.; д) повышение технологичности изготовления РПУ в условиях крупносерийного производства и тд .

Широкие возможности и успехи в технологии привели к массовому применению РПУ: в мире сейчас имеется свыше 1 млрд радиоприемников различного назначения.

Для современной техники радиоприема характерны теснейшая связь и взаимодейст­ вие с другими отраслями науки и техники, прежде всего с физикой, автоматикой, техни­ ческой кибернетикой, вычислительной техникой и др. Одно из наиболее показательных проявлений научно-технической революции в последние десятилетия - прорыв человека в космическое пространство, без сомнения, был бы невозможен без высокого уровня раз­ вития техники радиоприема электромагнитных волн в космическом пространстве. Все это позволяет утверждать, что теория и прпктика радиоприема и в эпоху научно-техниче­ ской революции на рубеже XX и XXI вв. не теряет своей актуальности.

Характеристики составляющих группового сигнала (1.1) существенно за­ висят от вида ЭМО для конкретных условий приема. Различают прием в усло­ виях относительно спокойной ЭМО (например, на выделенных радиоприем­ ных центрах, удаленных от радио передающих устройств), радиовещатель­ ный прием вдали от мощных радиостанций и т.д. На рис. 1.1 приведены усредненные результаты по оценке "занятости* диапазона 2 - 2 4 МГц станци­

онными помехами с уровнями более 1 мВ. Измерения эффективных значений напряжения проводились на выходе ромбической антенны (нагрузка 200 Ом) вдали от мощных источников помех. Сигналы радиостанций условно представлены на рис. 1.1 вертикальными линиями соответствующей длины, уровни более 10 мВ отмечены надписями, участки с высокой плотностью раз­ мещения радиостанций заштрихованы.

При работе РПУ вблизи радиопередающих устройств (бортовая аппарату­ ра, размещенная на ограниченных площадях) и использовании общих антенн в групповом сигнале содержатся отдельные интенсивные составляющие. Рас­ пределение станционных помех в месте приема по уровню и частоте в боль­ шинстве случаев изменяется с течением времени, в результате чего не известны и точные значения параметров колебаний в групповом сигнале (1.1). Поэтому для описания ЭМО вводят статистические характеристики станционных помех, по которым с той или иной вероятностью можно предсказать их распределение по уровню и частоте. Распределение по частоте позволяет судить об интенсив­ ности использования частотного диапазона, по уровню —о мощности помехи от отдельной радиостанции.

Приведем статистические характеристики сосредоточенных помех: 1) ма­ тематическое ожидание числа помех, находящихся в определенной полосе час­ тот, например в рабочем для РПУ диапазоне или области частот, в которой по­ мехи оказывают мешающее действие; 2) вероятность появления помехи в од­ ном частотном канале p oi ; 3) характеристики законов распределения уров­ ней отдельных квазигармонических сигналов.

Так, например, для радиосвязи в области декаметровых волн распределе­ ние уровней станционных помех х в полосе 1-3 кГц в первом приближении часто принимается как логарифмически нормальное, когда логарифм х слу­ чайной величины распределяется:

1) по дифференциальному закону (плотность вероятности)
	1	( х - М г) 2				( 1-2)
И/(х) =	/г—	ехр(—	—^	) ;
	\ / 2я аг		2ох
2) по интегральному закону (интегральная					функция распределения)
х		I	х		( f - Af j )2
F (x)= f	W ( t ) d t = - j = — /			e x p (------— j----- )dt,		(1.3)
—«		v 2я	Qj —oo		2a x

где M x — среднее значение уровней помехи, дБ4»мкВ; а2 —их дисперсия, дБ. Использование логарифмически нормального закона, при котором отсчет

любого уровня х происходит относительно определенного условного значе­ ния (например, 1 мкВ), позволяет ввести в рассмотрение амплитуды помехи

различных знаков: положительные (х >1 мкВ) и отрицательные (дс < 1 мкВ ). Так как на РПУ и некоторые его блоки действует групповой сигнал, то пред­ ставляет интерес определение характеристик такого сигнала. В условиях отно­ сительно спокойной ЭМО при большом числе сигналов радиостанций г к груп­ повому процессу ( 1.1) можно применить известную центральную предельную теорему теории вероятностей. Тогда этот процесс представляется как нормаль­ ный случайный процесс uQ с нулевым средним значением uQ= 0 и нормиро­ ванной мощностью Р = ай2 , характеризующей его интенсивность.

В случае присутствия в групповом сигнале отдельных мощных составляю­ щих его удобно представить в виде суммы единичных мощных помех и сово­ купности отдельных менее интенсивных колебаний, которые в первом прибли­ жении описываются выражением (1.1). Статистические характеристики таких процессов подчиняются так называемым композиционным законам распреде­ ления, «полученным из законов распределения отдельных составляющих. Так, для радиовещания в дека-, гекто-, километровом диапазонах волн в условиях приема в большом городе и при полосе 9—10 кГц

И/(х)= (1 - рм) (касехр(-асх) + (1 - к ) а пехр(-*„*) +

0	щ>и	x < E t
+ РМ 11(Е2 - Е х)	при Е х < х < Ег
0	при	х >Е2

где ас , д „ , к , рм - параметры распределения; Е у, Е2 — соответственно ниж­ няя и верхняя границы напряженности поля помех от местных станций;

F(x) = (1 ^ р м) (Л(1 - ехр(-асх )) + (1 - к ) (1 - ехр(-дпх » ) +

0	при х < Е х ,
+ РМ ( х ~ Ех)К Е 2 - Е х)	при Е 1< х < Е г .
1	при х > Е2

Напомним, что по дифференциальному закону распределения случайной величины х можно определить вероятность ее нахождения в любых заданных пределах х х- х 2

Р =	/ W(x)dx	(1.4)
х ,
Еслид^ =	~ °°, то вероятность нахождения случайной величины х в	пре­
делах (—00 -	х0) определяется в соответствии с интегральной функцией	рас­
пределения, т.е.
	*о
P = F ( x Q) = f Щ х ) 0 х .		(1.5)

Импульсные (квазиимпульсные) помехи имеют временные характеристики (рис. 1.2) . Как видно, для импульсной помехи характерны отдельные разде-

..енные	временными	интервалами Т. возмущения (импульсы) длительно­
стью г.	, причем7. «	7 \

Различают периодические (квазипериодические) (рис. 1.2) и непериодиче­ ские (рис. 1.3) импульсные помехи. Они могут возникнуть вследствие элект­ рических процессов в различных промышленных и бытовых установках, электрических сетях, из-за грозоразрядных процессов в атмосфере, а также в самих РПУ (например, при работе различных цифровых устройств, входящих в состав РПУ) и т.д. Характерной особенностью импульсных помех является тенденция к убыванию интенсивности их спектра с ростом частоты. Поэтому данный вид помех, как правило, менее опасен при переходе на более высокую частоту радиоприема.

Если спектр помехи, пройдя через избирательные цепи РПУ, сохраняет свою структуру как спектр импульсного процесса, то помеха проявляется в виде скважно действующей (в радиовещательных и радиотелефонных РПУ она на слух ощущается в виде треска).

Гладкая помеха представляет собой последовательность отдельных им­ пульсов, для которых невозможно выделить интервалы между ними. Если та­ кая последовательность носит хаотический случайный характер, то помеха на­ зывается флуктуационной или шумом (рис. 1.4).

Гладкая помеха связана с проявлением различных случайных по своей природе электрических процессов в различных элементах самого РПУ (внут­ ренние шумы) и вне его —в атмосфере, космосе, в различных радиоустройст­ вах (например, в размещенном вблизи РПУ радиопередатчике, излучение кото­ рого содержит флуктуационную составляющую). Гладкая помеха характери­ зуется с помощью статистических характеристик (дифференциального и ин­ тегрального законов распределения) для каждого источника или упрощенно с помощью эффективного значения напряжения шума в определенной полосе частот, обычно приводимого ко входу РПУ.

Гладкая помеха оказывает на прием сообщения маскирующее влияние. Так, для радиовещательного и радиотелефонного приемов она прослушивает­ ся в виде шорохов и шипения, для телевизионного приводит к появлению на экране мерцающих точек ("снега’*) и т.д. При интенсивной гладкой помехе прием передаваемых сообщений становится невозможным.

1.2. Принципы функционирования и структурные схемы радиоприемных устройств

Простейшая структурная схема РПУ, удовлетворяющая его основным функциям (см. п. В.1.2), приведена на рис. 1.5, а . Она включает:

1)тракт радиочастоты (ТРЧ), содержащий входную (избирательную) цепь (ВЦ), настраиваемую на частоту принимаемого сигнала / с , л-каскадный усилитель —условно усилитель радиочастоты (УРЧ), детектор;

2)тракт модулирующей частоты (ТМЧ), включающий усилитель модули­ рующего сигнала — условно усилитель модулирующей (низкой) частоты (УМЧ). Устройство адаптации, управления и контроля, а также блок питания на рис. 1.5, а для упрощения не показаны.

Q

тр ч

тмч

В структуре, представленной на рис. 1.5, а , возможно совмещение не­ скольких функций РПУ в одной и той же части тракта, например в УРЧ проис­ ходит усиление сигнала и обеспечивается избирательность, для чего в его со­ став включаются перестраиваемые колебательные цепи.

Как следует из изложенного, устройство со структурой вида, приведенно­ го на рис. 1.5, а , обеспечивает непосредственное усиление сигнала до детекто­ ра на одной частоте и поэтому называется РПУ прямого усиления.

Несмотря на достоинства структуры, изображенной на рис. 1.5, а (просто­ та схемы и регулировки в процессе изготовления РПУ), она не обеспечивает приемлемые показатели качества, прежде всего для сигналов на относительно высоких частотах. В этом случае, в о - п е р в ы х , оказывается практически невозможным выделение одного радиоканала, соответствующего принимае­ мому сообщению. Так, если в качестве избирательных цепей использовать ко­ лебательный контур, то его полоса пропускания П , как известно, определяет­ ся следующим образом:

П = f J Q ,

(1.6)

где / 0 — частота настройки контура, равная частоте полезного сигнала f c\ Q —

добротность контура. Для f c = f 0 = ЮМГц, Q = 102 получаем П = 100 кГц,

что в 10 раз	превышает ширину спектра радиовещательного сигнала с AM
(9—10 кГц).	В о - в т о р ы х , с ростом частоты принимаемого сигнала / ,

как правило, падает усилительная способность УРЧ, вследствие чего уменьша­ ется число принимаемых дальних радиостанций. С изменением частоты входно­ го сигнала будет изменяться также и полоса пропускания контуров, а следова­ тельно, их избирательность.

Дальнейшее совершенствование структуры РПУ связано с принципом из­ менения, т.е.. преобразования, частоты принимаемого сигнала (см. рисЛ.5,6). Здесь в ТРЧ осуществляется подавление части помех приему, содержащихся в групповом сигнале, однако из-за его широкополосности по-прежнему полно­ стью не решается задача выделения спектра одного полезного сигнала. Этот тракт называют трактом предварительной избирательности (селекции) или сокращенно преселектором. В следующем так называемом тракте основной избирательности (ТОЙ) осуществляется выделение спектра полезного сигна­ ла. Частота настройки этого тракта должна быть относительно низкой. Напри­ мер, для радиовещательного сигнала с AM (ширина спектра 10 кГц) необходи­ мо в соответствии с ( 1.6) для Q = 102 настроить контур в тракте основной избирательности на частоту/ 0 = #£? = 10#102 кГц = 1 МГц.

Таким образом, необходимо осуществить переход от частоты сигнала / с к частоте, на которой выделяется канал, соответствующий принимаемому сооб­ щению, и которую принято называть промежуточной частотой f . Для выпол­ нения этой функции используется известный принцип преобразования частоты / с в / п Радиоприемное устройство с преобразованием частоты сигнала / с в

промежуточную /	называют супергетеродинным РПУ.
Если частоту	сделать неизменной, то характеристики тракта основной

избирательности (усиление, избирательность) для всех входных сигналов вне зависимости от их частоты будут одни и те же. Кроме того, для неизменной и достаточно низкой / п без существенных затрат легко обеспечить высокие

усиление и избирательность (благодаря использованию сложных, но неперестраиваемых избирательных систем).

Структурная схема супергетеродинного РПУ приведена на рис. 1.5,5 . По­ мимо функциональных узлов, аналогичных узлам РПУ прямого усиления (ВЦ, УРЧ , Д, ТМЧ, УМЧ), она содержит: преобразователь частоты (ПЧ), состоящий из смесите/1я (См), генератора вспомогательных колебаний —так называемо­ го гетеродина (Г) —и усилитель промежуточной частоты (УПЧ). Усилитель промежуточной частоты и детектор образуют тракт промежуточной частоты (ТПЧ).

Основой супергетеродинного метода приема является преобразование час­ тот нескольких колебаний. Как известно, изменить частоту колебания можно, подав на нелинейный элемент смесителя два колебания: сигнала с частотой / с и вспомогательного источника с частотой / . Тогда на выходе нелинейного элемента возникает многочастотный сигнал вида

fm n =	m fr ± К
ИЛИ		( 1.8)
fmn =	< * < •

где m ,п —целые натуральные числа.

Наиболее интенсивные колебания соответствуют m = 1, п = 1. Тогда со­

гласно		(1.7) можно снизить частоту сигнала, выбрав частоту гетеродина так,
чтобы
		/ н “ / , - / с т о ­	(1.9)
или из		выражения ( 1.8)
			( 1.10)
Преобразование вида (1.9) называют "верхним” преобразованием часто­
ты,	а вида (1.10) — "нижним” . В первом случае / г выбирается из условия
/ г >	/ с , во втором —из условия / г <		и
Очевидно, что для неизменной /			при перестройке РПУ на другую частоту
/ с необходимо одновременно перестраивать/г в соответствии с (1.9)
			о ! »
или в соответствии с ( 1.10) / г = / с - / п •
	Так, д л я /п = 1М Г ц и /с = 10МГц		в соответствии с (1.11) / г = 11 МГц;
для	/ с = 20 МГц / г = 21 МГц и тщ. Это вьшуждает одновременно перестраи­

вать как ТРЧ, так и гетеродин РПУ (см, рис. 1.5, б) .

К достоинствам супер гетеродинного РПУ относятся: высокая избиратель­ ность, большое усиление до детектора, относительное постоянство этих пара­ метров в процессе перестройки РПУ в диапазоне частот вследствие того, что основные характеристики обеспечиваются в тракте с неизменной настройкой на частоту / п . Однако этот принцип имеет недостатки. Основным из них явля­ ется возникновение так называемых побочных каналов приема, по которым в

Рис, 1.6

тракт приемника проникают различные помехи.

Действительно, заменив в (1.7) и ( 1.8) частоту сигнала / с на частоту по­

мехи / . получим бесконечное число частот / . Их значения не совпадают с

Цр! ПМ

частотой полезного сигнала, но, как и последняя, преобразуются в промежу­ точную частоту и мешают приему полезного сигнала.

В соответствии с (1.7), ( 1.8) найдем частоты/пм для следующих случаев:

1) для т = 0, п = 1 (прямой канал, или канал промежуточной частоты) :

<|12>

2) для т = 0, п = 2, 3, ... (каналы помех, преобразованных на своих гар­ мониках без участия гетеродина):

4м =

3) для т = 1, п = 1 (зеркальный или симметричный канал) при ’’верх­ нем” и ’’нююем” преобразованиях соответственно:

	4м = 4 +4 = 4 +24 *	(1.13)
	4м = 4 - 4 = 4 - 24;
4)	для л = 1, /я = 2, 3 ,... (каналы помех,	преобразованных в промежу­
точную частоту на гармониках гетеродина) :
	4м = и4 * 4	(1.14)
5)	для т = 1, п = 2,3 ,... (каналы помех, преобразованных в промежуточ­
ную частоту на своих гармониках):
	4 » - < / , ‘ / . И " -	( 1. 15)
Обц&я формула для частот всех каналов приема (включая полезный)
имеет вид
	4м = « ± 4 )/" .	(U6>

где для полезного канала следует принять m = 1, п= 1; знак плюс —при ниж­ нем преобразовании, знак минус —при верхнем. Каналы вида (1.13)—(1.15) называются гетеродинными каналами приема.