книги / Радиоприемные устройства.-1

мешающего действия устройств, блоков и цепей, входящих в состав данного РПУ.

Так как сообщения, содержащиеся в радиосигнале, могут быть самого различного характера, не существует однозначных рекомендаций по допусти­ мости отклонения реальных характеристик тракта от идеальных,-а также сте­ пени влияния помех. В ряде случаев необходимо воспроизведение с достаточ­ ной точностью модулирующей функции Сигнала. Тогда искажение сообщения может быть оценено с помощью среднего квадратического отклонения иска­ женной модулирующей функции в РПУ. Ясно, что требования к характеристи­ кам РПУ и источникам помех при приеме в этом случае должны быть особо жесткими. В некоторых других ситуациях важно отметить появление сигнала или факт его существования в присутствии помех, что допускает большие из­ менения модулирующей функции и т.д.

Рассмотрим основные способы оценки искажений сигналов в РПУ. Различают статические и динамические характеристики искажений. К

первым относятся характеристики линейных искажений, нелинейных искаже­ ний и искажений, связанных с ограничением динамического диапазона РПУ, ко вторым - характеристики переходных процессов в РПУ/Характеристики неидеальности удобно задавать с помощью параметров различных искажений.

Линейные искажения проявляются в различных условиях прохождения отдельных составляющих спектра полезного модулирующего сигнала через приемный тракт. Количественная их оценка задается амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристиками (рис. 1.15,а, б).

Амплитудно-частотная характеристика сквозного тракта, называемая ха­ рактеристикой верности воспроизведения, определяется как зависимость (обычно нормированная) уровня выходного сигнала РПУ £/вых от частоты мо­ дуляции F при неизменном уровне входного модулированного сигнала ЕА = = cosnt и заданных параметрах модуляции. Характеристика верности воспро­ изведения имеет спад в области низких частот, что объясняется неидеальностью АЧХ тракта модулирующей частоты, а также в области высоких частот (по той же причине и из-за относительного подавления боковых составляю­ щих спектра модулированных колебаний в высокочастотном тракте РПУ) (см. рис. 1.12, а).

В радиовещании и радиотелефонии неидеайьность АЧХ проявляется в ви­ де изменения (искажений) тембра звучан^, длядругихРПУ —в виде искаже­ ний формы модулирующего сигнала, что может повлиять на качество воспро­ изведения сообщения. По характеристике верности воспроизведения РПУ

можно определить его полосу пропускания	отсчитанную на
уровне7 {см. рис. 1.15,а).

Фазочастотная характеристика (см. рис. 1.15, б) описывает фазовые сдви­ ги спектральных составляющих сигнала в тракте РПУ в зависимости от часто­ ты модуляции. Идеальной ФЧХ является линейная зависимость ^ = f(F ) (штриховая линия на рис. 1.15), при которой все составляющие спектра задер­ живаются на одно и то же время At = Ар/Дсо , в результате чего искажения формы модулирующего колебания отсутствуют. Любое отклонение от линей­ ной зависимости приводит к фазовым искажениям, вследствие чего искажает­ ся форма модулирующего колебания.

Характеристики переходных процессов (динамические характеристики

а

F

РисЛ .15

РПУ) включают параметры переходной характеристики выходного напряже­ ния РПУ и ( t) при заданном виде входного сигнала. Примером такого сиг­ нала является радиоимпульс (рис. 1.16,а).

Искажения переднего фронта и плоской части радиоимпульса характери­

зуются (рис. 1.16,6):
П вюеменем запаздывания	t	. под которым понимают время с момента
2) временем нарастания t	, под которым понимают время изменения
UBblx(t) от 0 , 1 м 0,9 UQ;
3) величиной максимального		выброса переходной характеристики на ее
плоской части, обычно оцениваемого по отношению к его установившемуся

значению: в = АС/выхшах Так как переходный процесс при исчезновении радиоимпульса ЕА (г) мо­

жет отличаться от того же процесса при его появлении, то вводят еще один па­ раметр переходного процесса —время спада t c как время изменения

при	выключении радиоимпульса J?A (t) (момент Гв) от 0,9 до 0,1 UQ
(рис, 1.16,в, г).
	В некоторых РПУ важны динамические искажения, связанные не со скач­
ком	амплитуды» входного сигнала, а со скачком его частоты или фазы (на­
пример, в РПУ с угловыми видами модуляции).
	Переходные процессы приводят к появлению повторов и многоконтурно-

сти изображения в телевизионных приемниках, погрешностям радиосистем, где необходимо точное определение времени появления радиоимпульса, слия­ нию отдельных импульсов и т.д.

Нелинейные искажения связаны с появлением в спектре модулирующего

сигнала на выходе РПУ новых составляющих, которые отсутствуют на его вхо­ де. Они оцениваются коэффициентом гармоник модулирующего сигнала на выходе РПУ, т.е. отношением эффективного значения высших гармони ходного напряжения РПУ к эффективному значению первой гармоники:

V	У вых2F + ^выхЗF +
* г =	UвыxF

Нелинейные искрения возникают в тех сечениях тракта РПУ, гд. сигналов велики. В радиовещательных и радиотелефонных приемниках он:-

проявляются в виде неестественности звучания, а при больших величинах в передаче появляется дребезжание и хрипение.

Проявление нелинейных искажений и шумоь в РПУ приводит к тому, что уровень полезных сигналов ограничивается в приемном тракте с двух сторон: ’’снизу” —величиной внутренних шумов, ’’сверху” —нелинейными искажени­ ями. Для обеих областей характерно нарушение пропорциональной зависимо­ сти уровня выходного сигнала I/ от величины входного воздействия ЕА Это иллюстрируется рис. 1.17, на котором представлена амплитудная характе­ ристика РПУ, т.е. зависимость U = f (£\ ). Под динамическим диапазоном РПУ понимают отношение граничных уровней входных воздействии, в преде­ лах которых обеспечивается допустимая потеря информации, содержащейся в полезном сигнале. Количественно динамический диапазон D —это отношение максимального уровня входного сигнала ^ Атах >при котором нелинейные искажения еще равны допустимому значению, к его минимальному уровню

^Amin ’ ПРИ К0Т0Р°М отношение С/Ш на выходе тракта равно заданной вели­ чине.

Таким образом, если сигнал находится в пределах динамического диапазо­ на РПУ, то такой сигнал будет принят при заданном качестве приема сообще­ ния.

Различают динамический диапазон по мощности Dp = ^АтаХ/^Ашш ина" пряжению:

D - ^Amaj/^Amin

О-26)

Иногда минимальный уровень сигнала в (1.26) берется равным уровню внут­ ренних шумов тракта, т.е. С/Ш полагается равным единице.

Помехоустойчивость РПУ. Под помехоустойчивостью приема понимают свойство РПУ обеспечивать нормальное функционирование (требуемую вер­ ность воспроизведения сообщения, пропускную способность, быстродействие и т.д.) в условиях действия определенной совокупности помех.

Существуют различные критерии оценки помехоустойчивости. Некоторые из них непосредственно связаны с искажениями в передаваемом сообщении. Например, при передаче дискретных сигналов помехоустойчивость может ха­ рактеризоваться коэффициентом помехоустойчивости К = n j n , где п —усред­ ненное при многократных испытаниях число передаваемых элементарных по­ сылок; пп - усредненное число правильно принятых посылок.

При передаче речевых сообщений используется артикуляционный крите­ рий, предполагающий количественную экспертную оценку разборчивости пере­ даваемых тестовых текстов. Существует также энергетический критерий поме­ хоустойчивости, как отношение сигнал—помеха (С/П) или производные от него.

Характеристики помехоустойчивости находятся в сложной связи с други­ ми характеристиками РПУ, а также ЭМО. В каждом конкретном случае эти связи могут быть определены расчетным или экспериментальным путем.

Характеристики ЭМС РПУ. Электромагнитная совместимость характери­ зует возможность РПУ работать совместно с комплексом радиоэлектронной аппаратуры, оказывающей взаимное влияние как на данное РПУ, так и на уст­ ройства, входящие в состав радиокомплекса. Типичная задача ЭМС возникает,

например, при размещении РПУ на ограниченных площадях с радиопередатчи­ ками (бортовая аппаратура судна, самолета, спутника, а также на других под­ вижных объектах), при работе от общих антенн.

При оценке возможностей работы РПУ в условиях внутрисистемной и межсистемной ЭМС необходимо учитывать влияние на него радиосредств дан­ ной или других радиосистем. Это влияние проявляется следующим образом. Относительно мощные излучения соседних радиопередающих устройств при­ водят к появлению помех вследствие:

а) недостаточной линейной избирательности РПУ; б) возникновения нелинейных эффектов вида блокирования или "заби­

тая’* (изменения усиления РПУ или отношения С/Ш на его выходе при дейст­ вии внеполосной помехи), перекрестной модуляции (переноса закона модуля­ ции с помехи на полезный сигнал), интермодуляции (взаимной модуляции) и гармонического обогащения спектра сигнала в приемном тракте, заключающе­

гося в появлении в приемном тракте колебаний на частоте настройки со0				или
побочного канала о о ^	вида	±	± ш3оо3 ± ... = со0 или сопК	, где
с*, —частотыпомех;	т .= 0 ,1 ,2 ,...;

в) излучения антенной радиопередатчика шумов, ширина спектра которых превосходит полосу частот, отводимых каналу;

г) нечувствительности в течение некоторого времени к полезному сигналу после действия на РПУ мощной помехи,обусловленной переходными и други­ ми процессами.

Наличие в тракте РПУ генератора (гетеродина) приводит к "просачива­ нию’* его колебания в приемную антенну. Это создает помехи соседним радио­ приемникам, что вынуждает нормировать допустимый уровень излучения своего гетеродина на входе РПУ.

Внутриаппаратурная ЭМС обусловлена взаимным влиянием функциональ­ ных узлов и элементов РПУ друг на друга через поля или вследствие непосред­ ственного прохождения помех по электрическим цепям тракта. Значение этого вида ЭМС усиливается в связи с широким внедрением в современном РПУ. цифровых устройств, создающих широкополосные излучения, резким умень­ шением габаритов аппаратуры и т.д.

L3.5. Другие характеристики и параметры радиоприемных устройств

Присоединительные характеристики. К таким характеристикам относятся: уровни сигналов (мощность, напряжение, ток) , которые необходимо обеспе­ чить в оконечном устройстве РПУ для его нормальной работы; входные и вы­ ходные полные сопротивления (иммитансы) РПУ и тех нагрузок, которые к ним присоединяются (антенна и ОУ, если они не входят в комплект РПУ). При блочном построении РПУ присоединительные параметры относятся также к от­ дельным функциональным блокам.

Уровни выходных для РПУ сигналов должны соответствовать определен­ ным условиям. Так, для радиовещательных приемников выходным парамет­ ром является номинальная выходная мощность, которую РПУ отдает в нагруз­ ку — акустическую систему. Под номинальной мощностью понимают такую

выходную мощность, которая соответствует заданной величине коэффициента гармоник.

Эксплуатационные характеристики. К данным характеристикам относятся характеристики надежности, энергопотребления (экономичности питания), эр­ гономических возможностей различных удобных для пользователя режимов применения (в радиовещательной аппаратуре так называемые потребитель­ ские характеристики) и т.д.

Конструктивные и технологические характеристики. К этим характеристи­ кам относятся массогабаритные, а также характеристики трудозатрат при из­ готовлении РПУ. Последние существенно зависят от способа изготовления функциональных блоков и РПУ в целом.

Важнейшей общей характеристикой РПУ является его стоимость. В боль­ шинстве случаев она находится в противоречии с другими характеристиками РПУ. Поэтому при создании новых поколений РПУ, неизбежно связанном с их усложнением, важно учитывать технический уровень и стоимость нового изде­ лия. Это, в свою очередь, требует совершенствования компонентной базы, тех­ нологии изготовления, в частности перехода к *интегральной технологии. По­ этому важнейшей характеристикой современного РПУ является его степень интеграции. В лучших образцах РПУ она приближается к 100 %, поэтому далее в соответствующих разделах курса будут рассмотрены технические решения функциональных узлов РПУ, пригодные для интегральной технологии их из­ готовления.

1.4. Общая оценка качества радиоприема

Работа РПУ (см. § 1.3) характеризуется большим числом технических ха­ рактеристик и параметров. Однако для пользователя основной интерес пред­ ставляет результат их воздействия на передаваемое сообщение/ .Поэтому це­ лесообразно ввести окончательную оценку эффективности работы РПУ, исхо­ дя из искажений передаваемого сообщения б/

В качестве такой оценки может быть принято достижение разборчивости (артикуляции) речевого сообщения (для радиотелефонного канала); соответ­ ствия передаваемой и воспроизводимой программы (для радиовещательного канала); обнаружения соответствующих целей (для радиолокационного кана­ ла) ; определения местоположения объектов (для радионавигационного кана­ ла) и т.д. Так как неидеальность любого радиоканала приводит к искажению передаваемого сообщения б / , необходимо задаться допустимой величиной ис­ кажений б/0 (например, для приема в канале передачи дискретной информа­ ции —допустимой величиной неправильно принятых символов), Если при при­ еме величина б/ < бJQ , то будем считать, что РПУ полностью решает постав­ ленную перед ним задачу.

Как было указано в § 1.1, характеристики полезных сигналов и помех при радиоприеме обычно точно не известны. Поэтому качество работы РПУ в целом целесообразно оценивать с помощью статистических (вероятностных) характеристик. С этой целью рассмотрим два вида случайных событий: если РПУ обеспечивает прием сигнала с показателем качества хуже допустимого, т.е. б/ > б /0 , то такое событие А назовем поражением; если показатель ка­

чества равен или лучше допустимого	(т.е. б/ < 5 / ) , то такое событие А на­
зовем приемом.	0

Возможны различные способы вероятностной оценки эффективности ра­ боты РПУ, в основе которых может лежать: _

1) количественная оценка вероятности наступления события А ш и А , со­ стоящего в том, что РПУ полностью выполняет (или не выполняет) поставлен­ ную перед ним задачу

	P l =	р [а }	(1.27)
гдеО	, < 1 ;
2)	математическое ожидание случайной величины А :
	р 2 = м {а ) \		(1.28)
3)	дисперсия случайной величины А :
	P3 =	D I_A}	(1.29)
Так как		событие А исключает событие А , то их вероятности связаны с
известным из теории вероятности соотношением
	Pj {а ] = 1 - Р , { ^ }		(1.30)

Характеристика (1.27) дает самое общее представление о качестве работы РПУ по принципу "да или нет”, т. е. показывает, какова вероятность того, принято или не принято сообщение, передаваемое от источника к потребителю, обнаружена ли цель в радиолокации, решена ли задача определения местополо­ жения объекта в радионавигации и т.д. Чем выше величина р х , тем эффектив­ ней РПУ решает поставленную перед ним задачу. Для некоторых современных связных РПУ величина р х должна быть достаточно близка к максимально воз­ можной (единице) и может составлять 0,999 и более.

Характеристики эффективности (1.28) и (1.29) пригодны для оценки по

принципу ”чем больше (меньше), тем лучше” . Они удобны, например, для оценки эффективности работы РПУ в диапазоне частот, где размещаются п воз­ можных каналов приема. Тогда численная величина р 2 равна среднестатисти­ ческому числу каналов (т.е. математическому ожиданию) из возможных п ,

полностью обеспечивающих задачу приема. Так, если Рг(А) = 1(Г3 , то из
(1.30)	следует р х (А) = 1 —10^3 = 0,999, т.е. для числа принимаемых кана­
лов п =	103 поражается только один канал, а с нужным качеством принимает­

ся 999 каналов.

В процессе работы РПУ можно потребовать соответствия вероятности при­ ема следующим условиям работы РПУ:

а) со стабилизацией качества:
Pi - pi0 ,	(1.31)

что предполагает удовлетворение заданной величине p.Q , например заданной вероятности приема сообщений для заданного ансамбля радиосигналов на вхо­ де РПУ;

б) с поиском оптимального значения качества, т.е.

Рт - max(min)j>. ,

(1.32)

что соответствует максимуму (минимуму) характеристики эффективности приема при заданной ЭМО и т.д.

Очевидно, что на практике необходимо учитывать фактор ’’ограниченно­ сти ресурса” R при реализации поставленной перед РПУ задачи: по потребле­ нию энергии от источника, стоимости, массогабаритным характеристикам и

др. Поэтому условия	(1.31),	(1.32) следует дополнить некоторыми ограничи­
вающими или минимаксными условиями:
*min < R <	R max	= т а х ( т т ) Л ) .	(1 .3 3 )
Таким образом, задач* радиоприема в самом общем виде может быть све­
дена к стандартной	задаче	оптимизации системы	по заданному критерию

(1.27)-(1.29), характеру целевой функции (1.31), (1.32) и дополнительным ограничивающим условиям (1.33).

В общем случае величина р^ зависит от множества характеристик РПУ Q = {q .}, определяющих качество приема (см. § 1.3).

Все параметры qi могут быть разделены на относящиеся к РПУ и к харак­ теристикам электромагнитной обстановки при радиоприеме, которая включа­ ет в себя виды, количество и свойства воздействующих на РПУ помех. Пара­ метры ЭМО, в свою очередь, делятся на параметры полезных сигналов qic и помех радиоприему qin\ что касается параметров РПУ, то часть из них^10 за­ дается при проектировании РПУ, обеспечивается при его изготовлении и далее в процессе эксплуатации остается неизменной. Другая часть параметров РПУ q во время работы РПУ может изменяться в соответствии с некоторыми ал­ горитмами, обеспечивая требуемые условия (1.31), (1.32). Необходимость в подобном варьировании обусловлена изменениями текущей ЭМО при радио­ приеме.

Тогда задача оптимизации РПУ как системы может быть описана следую­ щими соотношениями:

для (1.31)
Р{ =	(1.34)
для (1.32)
Рт ~ max(min)pf.(fy) ,	(1.35)
где Ы = U ic ■ < 7 ,„ Л ч )Л ~ } • *min < R faio><li~} < R max	R m “
= max(min)/? { qj0 , q.„ }

Следует обратить внимание на двоякийсмыся алгоритмов (1.34) и (1.35). Они позволяют: во-первых, определить требуемые для заданного качества при­ ема параметры РПУ q.Q , т.е. целенаправленно проектировать РПУ как опти­ мальную в известном смысле систему; во-вторых, приспособить (адаптиро­ вать) часть параметров РПУ в процессе его эксплуатации к текущей ЭМО, т.е. параметрам qic и qin , избранным критериям качества. Таким образом, (1.34), (1.35) являются алгоритмами как расчетной, так и аппаратурной оптимизации РПУ, т.е. оптимизации в процессе его работы в реальных услов'иях эксплуата­ ции. Разумеется, во время работы РПУ условия (1.34), (1.35) могут строго не

выполняться, например в случае непредвиденного ужесточения ЭМО, отсутст­ вия некоторых возможных функций адаптации и т.д. В результате возможно, например, что р . < р 0 , т. е. вероятность приема будет хуже заданной величи­ ны. В таком случае 0-34) и (1.35) следует рассматривать как условия, харак­ теризующие предельные величины и позволяющие оценить удаленность факти­ чески достигаемой эффективности приема от предельно возможной.

Статистические характеристики оценки работы РПУ удобны для практиче­ ского применения, так как имеют ясный физический смысл, связаны с техни­ ческими характеристиками РПУ, позволяют предметно уяснить влияние от­ дельных характеристик и параметров РПУ на качество приема сообщения, а также осуществлять сравнение разных РПУ между собой.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ И ПОВТОРЕНИЯ

1.1. Охарактеризуйте состав группового сигнала в преселекторе РПУ. 1.2. Начертите структурные схемы РПУ прямого усиления и супергетеродинного типа. Поясните назна­ чение отдельных функциональных звеньев, 1.3. Поясните, почему использование суперге­ теродинного РПУ позволяет улучшить качество приема. 1.4. Поясните причины появления побочных каналов приема в супергетеродинном РПУ. 1.5. Каковы особенности инфрадинных и синхронных РПУ? 1 .6 . В каких трактах типовой структуры супергетеродинного РПУ обеспечивается подавление побочных и соседних каналов приема? 1.7. Как улучшить чувствительность РПУ? 1.8 . Укажите смысл коэффициента шума линейного тракта РПУ. 1.9. Как улучшить избирательность РПУ? 1.10. Чем отличаются характеристики односиг­ нальной и многосигнальной избирательности РПУ? 1.11. Охарактеризуйте линейные и не­ линейные искажения сигнала в приемном тракте. 1.12. В чем сущность оценки качества радиоприема с помощью статистической характеристики - вероятности поражения?

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

2.1. Системотехнические исследования радиоприемных устройств

2.1.1. Модели радиоприемных устройств

Исследование РПУ основано на методах теории электро- и радиоцепей и ра­ диосигналов, которые изучаются в соответствующих курсах. В связи с этим кратко рассмотрим лишь специфические особенности методов исследования применительно к РПУ. Конкретные примеры использования методов приведе­ ны в настоящем и последующих разделах.

Исследование РПУ или его функциональных звеньев (ФЗ) включает сле­ дующие основные задачи: анализ, синтез и оптимизацию по заданным крите­ риям качества. Эти задачи могут быть решены как системотехнические, в которых предметом изучения являются связи характеристик всего РПУ и его ФЗ, а также как схемотехнические, в которых предметом исследования явля­ ются связи характеристик отдельных ФЗ и каскадов с компонентами, их обра­ зуют и.ми.

Воснове системотехнического исследования РПУ лежит его представление

ввиде системы из отдельных ФЗ или каскадов. В зависимости от конкретной задачи возможны различные способы такого представления: а) в виде моде­ лей, соответствующих соединениям основных ФЗ в структурах РПУ (см. рис. 1.5, 1.8-1.10); б) в виде моделей, раскрывающих основные принципы включения ФЗ, например наличие цепочечного соединения (рис. 2.1), обрат­ ных связей для улучшения характеристик тракта (общей —рис. 2.1, б , в каж­ дом каскаде — рис. 2.1, в), параллельных каналов передачи сигнала с целью компенсации искажений и помех (рис. 2.1, г) и т .д .; в) в виде обобщенных моделей, в которых укрупненно представлены основные свойства приемного тракта (см. рис. 2.1, д , где приведена широко применяемая модель так назы­ ваемого типового радиотехнического звена (ТРЗ), учитывающая нелинейное преобразование в нелинейном звене (НЗ) и содержащая линейные звенья с

коэффициентами передачи LjO'w) и 1*2(/со)).

Представление модели РПУ в виде ТРЗ удобно, например, для упрощенно­ го исследования нелинейных процессов в структуре супергетеродинного ра­ диоприемника. В этом случае тракт, показанный на рис. 1.5, б , можно изобра­ зить в виде цепочечного соединения: 1) первого линейного фильтра (/со), отражающего прохождение группового сигнала в полосе пропускания пресе­ лектора П и его избирательные свойства для помех по побочным каналам приема за ^ е пределами; 2) нелинейного звена, учитывающего нелинейные свойства усилительно-преобразовательного тракта; 3) второго линейного фильтра 1 2(/‘со), отражающего фильтрующие свойства тракта промежуточной

частоты.

Если граничная частота используемых в НЗ электронных приборов суще­ ственно превышает максимальную частоту рабочего диапазона, то они могут считаться безынерционными. Как было указано, полоса первого фильтра в структуре, приведенной на рис. 2.1, д , обычно больше полосы второго фильтра.