Тоискин В.С., Петренко В.И., Бибарсов М.Р., Мишин Д.Ю. Системы радиосвязи

Подождите немного. Документ загружается.

Пространственная избирательность осуществляется с помощью ост-

ронаправленных приемных антенн. Если источник сигнала и помех разнесе-

ны по угловым направлениям, то можно существенно ослабить помеху, фор-

мируя в направлении источника сигнала максимум диаграммы направленно-

сти, а в направлении источника помех - нули (провалы) диаграммы направ-

ленности антенны.

Динамический диапазон приемника. Под динамическим

диапазоном

приемника по основному каналу понимают диапазон граничных уровней

входного полезного сигнала, при которых обеспечивается нормальное каче-

ство приема. Минимальный уровень входного сигнала ограничивается уров-

нем собственных шумов, т.е. чувствительностью приемника. Максимальный

уровень ограничен допустимыми искажениями в усилительных и преобразо-

вательных каскадах приемника из-за нелинейных характеристик усилитель-

ных приборов

при сильных сигналах.

Помехоустойчивость радиоприемника есть его способность противо-

действовать мешающему действию помех. Количественно помехоустойчи-

вость оценивается тем максимальным значением уровня помех в антенне,

при котором еще обеспечивается прием радиосигналов.

Надежность радиоприемника - его способность выполнять заданные

функции в определенных условиях и в определенном интервале времени. Ко-

личественно надежность оценивается по

величине среднего времени его без-

отказной работы.

Диапазон рабочих частот - это область настройки от f

min

до

max,

в пре-

делах которой радиоприемник может плавно или скачкообразно перестраи-

ваться с одной частоты на другую.

2.1.4 Классификация радиоприемных устройств

Применяемые в настоящее время радиоприемники делятся на профес-

сиональные и бытовые. Радиоприемные устройства можно классифициро-

вать:

по роду работы (радиотелефонные, радиотелеграфные, телевизион-

ные, радионавигационные, радиолокационные и др.);

по виду модуляции (с

АМ, ЧМ, ОБП и т.д.);

по диапазону волн принимаемых сигналов (километровые, декаметро-

вые и т.д.);

по месту установки (стационарные, переносные, самолетные, автомо-

бильные и др.);

по схеме электропитания (от сети постоянного и переменного токов,

от аккумуляторов).

В настоящее время находят применение приемники прямого усиле-

ния, регенеративные, суперрегенеративные, супергетеродинные с

одинар-

ным, двойным и тройным преобразованием частоты. Рассмотрим более под-

робно структурные схемы приемника прямого усиления и супергетеродинно-

го.

На рисунке 2.2 представлена структурная схема приемника прямого

усиления.

ВЦ УРЧ

УРЧ

Тракт радиочастоты

Д УНЧ ОУ

Рисунок 2.2 - Структурная схема приемника прямого усиления

Принятый антенной сигнал поступает во входную цепь (ВЦ), которая

выделяет полезный сигнал из суммы наводимых в антенне сигналов от раз-

личных источников излучения. ВЦ представляет собой перестраиваемую ре-

зонансную систему. Кроме того, ВЦ осуществляет согласование входного

сопротивления усилителя радиочастоты (УРЧ) с выходным сопротивлением

антенны. Каскады УРЧ обеспечивают усиление поступающего из ВЦ

полез-

ного сигнала и обеспечивают дальнейшее ослабление сигналов мещающих

станций. Детектор (Д) выделяет исходный (переданный) первичный сигнал,

т.е. осуществляет его демодуляцию. Тип детектора определяется видом ис-

пользуемой модуляции высокочастотного колебания. Усилитель низкой час-

тоты (УНЧ) усиливает принятый сигнал до уровня, необходимого для нор-

мальной работы оконечного устройства (ОУ). В

качестве ОУ может исполь-

зоваться громкоговоритель, телефон, реле, приемная телевизионная трубка,

телеграфный аппарат и др. Оконечное устройство преобразует электрические

сигналы в исходные сообщения (текст, речь, изображение и др.).

Приемники прямого усиления обладают существенными недостатка-

ми: невысокой чувствительностью и избирательностью.

Невозможность получения высоких значений чувствительности свя-

зана с тем, что поскольку усиление

производится на одной частоте, с увели-

чением числа каскадов увеличивается и вероятность самовозбуждения УРЧ.

Невысокая избирательность объясняется тем, что при настройке вход-

ных цепей и УРЧ на различные частоты (при перестройке приемника) при

фиксированной добротности контуров изменяется полоса пропускания ра-

диотракта, а, следовательно, и избирательность приемника.

От этих недостатков в

существенной степени позволяет избавиться

супергетеродинный приемник. Принцип супергетеродинного приемника со-

стоит в том, что принятые колебания преобразуются по частоте на фиксиро-

ванную промежуточную частоту. На ней и происходит основное усиление

сигнала. А поскольку промежуточная частота фиксирована, в усилителе про-

межуточной частоты (УПЧ) можно использовать много контуров, составляя

из них полосовые фильтры

, дающие необходимую избирательность. Умень-

шается и опасность самовозбуждения, поскольку наводки от УПЧ на входе

приемника уже не страшны, ведь УПЧ и входные цепи настроены на разные

частоты.

Для преобразования частоты нужен специальный генератор – гетеро-

дин. Его колебания смешиваются с колебаниями принимаемого сигнала в

специальном элементе приемника – смесителе. Смеситель вместе с гетероди-

ном образует преобразователь частоты.

Структурная схема супергетеродинного приемника показана на ри-

сунке 2.3.

Входной сигнал

от антенны через ВЦ поступает на вход усилителя

радиочастоты (УРЧ), где происходит его усиление и предварительная час-

тотная селекция. Далее сигнал поступает в смеситель, где смешиваясь с сиг-

налом гетеродина образует промежуточную частоту f

ПЧ

= f

- f

либо f

ПЧ

= f

–

. Заметим, что при перестройке приемника одновременно изменяется f

и f

таким образом, что f

ПЧ

остается неизменной.

Рисунок 2.3 - Структурная схема супергетеродинного приемника

Далее сигнал ПЧ усиливается в усилителе промежуточной частоты

(УПЧ). Так как его (сигнала) частота ниже рабочей частоты f

, то в УПЧ мо-

жет быть осуществлено основное и значительное усиление сигнала, при этом

самовозбуждение приемника не возникает. Кроме того, полосовые фильтры

УПЧ обеспечивают основную частотную селекцию сигнала. Далее сигнал де-

тектируется и усиливается в УНЧ до уровня, необходимого для нормальной

работы ОУ.

Недостатком супергетеродинных приемников является наличие в них

побочных каналов приема, главным из которых является зеркальный. Рас-

смотрим причину его возникновения, используя рисунок 2.4 с частотным

представлением сигналов.

Допустим, что f

пч

= f

- f

, если на некоторой частоте f

зк

ведет передачу

какая-либо станция, то ее сигнал также смешивается в смесителе с частотой

гетеродина, и если f

зк

такова, что f

- f

зк

= f

пч

, то сигнал мешающей станции с

частотой f

зк

также переносится на промежуточную частоту f

пч

, и отделить его

от полезного сигнала уже не представляется возможным.

Рисунок 2.4 - Образование зеркального канала

На рисунке также изображена резонансная характеристика входной

цепи и УРЧ. За счет резонансных свойств этих каскадов помеха по зеркаль-

ному каналу несколько уменьшается. Очевидно, что для ее большего умень-

шения f

пч

должна быть большой (подумайте и поясните, почему). Но выбор

большого значения f

пч

приводит к большому проявлению недостатков, при-

сущих приемнику прямого усиления: к возрастанию возможности самовоз-

буждения каскадов УПЧ, к ухудшению их избирательности. Следовательно,

имеет место противоречие: с точки зрения повышения чувствительности и

избирательности радиоприемника f

пч

должна быть небольшой, а с точки зре-

ния эффективности подавления помех по зеркальному каналу - большой.

Это противоречие разрешается в супергетеродинном приемнике с дву-

мя преобразованиями частоты (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Структурная схема супергетеродинного приемника с двойным

преобразованием частоты

В этом приемнике дополнительно вводится второй гетеродин Г

, вто-

рой смеситель СМ

и усилитель второй промежуточной частоты УПЧ

. Про-

цесс преобразования частоты показан на рисунке 2.6.

В результате усиления сигналов гетеродина и полезного сигнала по-

следний переносится на ПЧ f

пч

= f

- f

г.

Значение f

пч

выбирается достаточно

большим, чем обеспечивает значительное подавление помех по зеркальному

каналу в тракте ТРЧ (резонансная характеристика последнего показана на

рис. 2.7, резонансная частота совпадает с f

). На частоте f

пч1

происходит уси-

ление сигнала и его селекция. В результате смещения сигналов с частотами

г2

и f

пч1

сигнал с f

пч1

переносится на f

пч2

= f

пч1

- f

г2

. В УПЧ

происходит основ-

ПЧ

ЗК

ПЧ

ное усиление сигнала и его селекция благодаря низкому значению f

пч2

. Таким

образом, разрешается указанное противоречие и достигается высокая чувст-

вительность и избирательность приемника.

Другими побочными каналами приема являются каналы, частоты ко-

торых равны промежуточным частотам. Сигналы таких частот, поступая на

вход преобразователя, без каких-либо изменений попадают в УПЧ

. Сигналы

побочного канала приема с f

пч2

существенно ослабляются в УПЧ

, а сигналы

с частотой f

пч1

усиливаются, поэтому помехи с частотами, близкими к проме-

жуточной, должны быть подавлены соответствующими фильтрами на входе

приемника.

В различных радиоэлектронных устройствах широко используются

преобразователи частоты, осуществляющие изменение несущей частоты сиг-

нала без изменения характера самого сигнала, например, вида и характери-

стик модуляции. Спектр колебания на выходе преобразователя частоты такой

же, как

и на входе, но с другой несущей частотой, то есть, смещен по оси час-

тот. Эта частота преобразованных колебаний называется промежуточной.

Структурная схема преобразователя частоты и графики, поясняющие процес-

сы, происходящие в нем, показаны на рисунке 2.7.

Преобразователь содержит смеситель СМ, генератор Г и полосовой

фильтр ПФ. С помощью СМ и

Г осуществляется процесс преобразования

частот, а ПФ выделяет из совокупности продуктов преобразования необхо-

димый спектр. На рисунке 2а и 2б показаны временная диаграмма и спектр

входного амплитудно-модулированного сигнала на входе преобразователя, а

на рисунке 2в и 2г - на выходе преобразователя. Видно, что в результате пре-

образования форма спектра и вид

колебания не изменяется, изменилась

(уменьшилась) только несущая частота: была f

, стала f

пч

Трансформация (перенос) спектра осуществляется в смесителе, пред-

ставляющем собой нелинейный элемент, например, диод у которого вольт-

амперная характеристика явно нелинейная или транзистор. Простейшие схе-

мы преобразователей частоты, реализованные на диоде и транзисторе, при-

ведены на рисунке 2.8.

Проведем анализ работы преобразователя частоты в случае, когда

входной сигнал является немодулированным.

Рисунок 2.6 - Формирование промежуточных частот в супергетеродинном

приемнике с двойным преобразованием частоты

ПЧ1

ЗК

Г1

ПЧ

г2

ПЧ2

вх

в)

а)

вх

вых

пч

г)

б)

вход

выход

СМ ПФ

д)

пч

Рисунок 2.7 – Преобразователь частоты

Рисунок 2.8 – Схемы преобразователей частоты

Вольт-амперная характеристика нелинейного элемента может быть

аппроксимирована следующим выражением:

i = a

+ a

u + a

где а

, а

- постоянные коэффициенты; i - ток через нелинейный эле-

мент;

u - напряжение, приложенное к нелинейному элементу.

В нашем случае u = u

+ u

, где u

и u

напряжение сигнала и генерато-

ра.

Тогда ток через параллельный контур (ПФ) будет

i = а

+ а

) + а

)

= а

+а

+2а

+ а

Падение напряжения на колебательном контуре будет только от гар-

монических составляющих тока промежуточной частоты, которая содержит-

ся в слагаемом 2а

При u

= U

соs ω

t , u

= U

соs ω

2а

= a

[cos (ω

+ ω

)t + cos (ω

- ω

)t].

В общем случае промежуточной частотой может быть как частота

пч

= f

- f

, так и f

пч

= f

+ f

. Все зависит от целевого назначения преобразова-

теля. Выбор осуществляется резонансной настройкой колебательного конту-

ра.

Преобразование частот используется в радиоприемных устройствах,

радиопередающих устройствах, синтезаторах частоты, в многоканальной ап-

паратуре связи и т.д.

Демодуляция сигнала сводится к выделению исходного сигнала из

модулированного. В самом общем смысле детектирование есть действие, об-

ратное

процессу модулирования: из радиосигнала u(t) необходимо выделить

управляющий сигнал s(t). Сначала мы рассмотрим процесс детектирования

"чистого" радиосигнала, а затем коротко познакомимся с проблемами выде-

ления сигнала из помех.

а) Амплитудные детекторы

Простейшим типом детектора является амплитудный детектор. Ам-

плитудные детекторы объединяют достаточно широкий класс устройств: ди-

одные (на

вакуумных и полупроводниковых диодах), сеточные, анодные и

катодные (на триодах и пентодах), базовые, коллекторные и эмиттерные (на

транзисторах).

Амплитудный детектор - это устройство, в котором осуществляется

преобразование высокочастотного АМ колебания в низкочастотные колеба-

ния, соответствующее закону изменения амплитуды ВЧ колебания.

Из определения следует, что на вход детектора подается колебание,

содержащее только высокочастотные

составляющие. На выходе детектора

выделяется напряжение низкой частоты. Таким образом при детектировании

происходит трансформация спектра. Поэтому амплитудное детектирование

может осуществляться в нелинейных устройствах.

Нелинейный амплитудный детектор состоит из нелинейного элемента

и фильтра. В качестве нелинейного элемента могут быть использованы диод,

триод, пентод или транзисторы, а в качестве фильтра - параллельная цепочка

RC (рисунок 2.9,а).

На рисунках 2.9б-д показаны спектры и временные диаграммы вход-

ного и выходного сигналов.

Проанализируем работу диодного детектора. Считаем, что в схеме ис-

пользуется идеальный диод, который имеет вольт-амперную характеристику,

когда при отрицательном анодном напряжении обратный ток равен нулю

(сопротивление диода бесконечно велико), а при положительном анодном

напряжении ток линейно возрастает с повышением напряжения.

вх

вых

вх

вых

+Ff

д)

в)

б)

г)

а)

Рисунок 2.9 – Амплитудный детектор

Процессы, происходящие при детектировании, поясняются рисунке

2.10.

При подаче на вход детектора высокочастотного амплитудно-

модулированного колебания, вследствие односторонней проводимости дио-

да, ток i

протекающий через диод будет иметь импульсный характер.

То есть диод пропустит только положительные полуволны перемен-

ного АМ колебания. При появлении положительной полуволны тока конден-

сатор С начинает заряжаться до момента времени, обозначенного на рисунке

2.10 буквой а.

Рисунок 2.10 – Процесс детектирования

Напряжение на конденсаторе есть выходное напряжение диода и по-

казано ломаной линией. После начала сбора тока i

конденсатор разряжается

через резистор R, но так как величина R достаточно большая, то разряд кон-

денсатора происходит медленно и до начала следующей полуволны он не ус-

певает полностью разрядиться. При появлении следующей полуволны тока

конденсатор С опять подзаряжается. Процесс повторяется дальше аналогич-

ным образом. При правильном выборе параметров R и C

ломаная линия, со-

ответствующая выходному напряжению будет почти полностью по форме

повторять огибающую модулированного высокочастотного сигнала. Процесс

детектирования можно объяснить с другой точки зрения, привлекая к пояс-

нению понятие спектра сигнала. Так импульсный ток, проходящий через де-

тектор, может быть разложен в ряд Фурье. Он содержит в себе высокочас-

тотную составляющую, определяемую несущей частотой входного радиосиг-

нала, и низкочастотные составляющие, определяемые огибающей высокочас-

тотного сигнала. Т.к. конденсатор представляет для высокочастотной состав-

ляющей малое сопротивление, то она проходит через него. Для низкочастот-

ных составляющих конденсатор обладает большим сопротивлением, поэтому

эти составляющие проходят через резистор R, создавая на нем падение на

пряжения, соответствующее низкочастотным составляющим, т.е. огибающей

сигнала.

При построении детекторов на других нелинейных элементах физиче-

ские процессы аналогичны.

б) Частотные детекторы

Сущность частотной модуляции заключается в изменении частоты не-

сущего колебания относительно среднего значения по закону модулирующе-

го колебания.

Каким образом можно менять частоту? Очевидно путем изменения

параметров колебательного

контура автогенератора, т.е. устройства, генери-

рующего высокочастотное колебание.

Частотным детектором называется устройство, выходное напряжение

которого воспроизводит закон изменения мгновенного значения частоты вы-

сокочастотного напряжения на его входе.

Рассмотрим наиболее употребительную схему частотного детектора

(рисунок 2.11.).

Рисунок 2.11 – Частотный детектор

На транзисторе собрана последняя ступень усилителя частотно моду-

лированных колебаний с контуром L

, который вместе с контуром L

на-

строен в резонанс на несущую частоту. Связь между контурами трансформа-

торная. При резонансе напряжение на вторичном контуре L

отстает по фа-

зе от напряжения на первичном контуре точно на 90

, так как ток в катушке

отстает по фазе от напряжения на первичном контуре тоже на 90

. Напря-

жение на катушке связи L

совпадает по фазе с напряжением на первичном

контуре.

Схема содержит два амплитудных детектора VD1 и VD2. К верхнему

детектору приложено напряжение, равное сумме U

и U

/2, а к нижнему - раз-

ности между U

и U

/2, так как половина катушки L

намотана в одну и ту же

сторону. Эти напряжения показаны на векторной диаграмме сплошными ли-

ниями. Равенство напряжений U

и U

приводит к тому, что конденсаторы С

и С

заряжаются до одинаковых напряжений, а выходное напряжение оказы-

вается равным нулю. При отклонении частоты сигнала от резонансной раз-

ность фаз между напряжениями U

и U

уже не будет составлять 90

, а изме-

нится в ту или другую сторону в зависимости от того, в какую сторону от-

клоняется частота от резонансной частоты вторичного контура. Соответст-

венно изменяются и напряжения U

и U

, из-за чего напряжения на конденса-

торах С

и С

также становятся неодинаковыми, а выходное напряжение, рав-

ное их разности, получается отличным от нуля. Это показано на векторной

диаграмме пунктирными линиями. Таким образом, выходное напряжение

изменяется пропорционально изменениям частоты входного сигнала.

При осуществлении детектирования частотно манипулированных сиг-

налов может быть использована схема, представленная на рисунке 2.12. Кон-

туры L

и L

настроены на резонансные частоты, соответствующие "на-

жатию" и "отжатию".

Рисунок 2.12 – Детектор сигнала ЧТ

Следовательно, амплитуда высокочастотного напряжения будет боль-

ше на том контуре, резонансная частота настройки которого соответствует

частоте передаваемой посылки.

Высокочастотные сигналы с каждого контура детектируются ампли-

тудными детекторами, состоящими из диода и RC-фильтра. Так как проде-

тектированные напряжения включены в противоположной полярности, то на

выходе детектора будет резонансное напряжение u

вых

= u

-u

, т.е. в зависимо-

сти от принимаемой частоты ("нажатия" или "отжатия") u

вых

будет положи-

тельным или отрицательным. Таким образом u

вых

представляет собой им-

пульсный сигнал, соответствующий переданному.