17 Реализация радиоприёмников в цифровом виде

При построении радиоприемных устройств действуют очень жесткие требования к избирательности по соседнему каналу. Вполне реальна ситуация, когда требуется принять сигнал от удаленной станции при условии, что на соседнем канале работает близкорасположенный мощный передатчик.

Пусть уровень полезного сигнала будет 0,2 мкВ, а мощность соседнего передатчика 100 Вт. Рассчитаем уровень напряжения, наводимый этим передатчиком на входе радиоприемного устройства:

(17.1)

Теперь определим, во сколько раз требуется подавить этот сигнал для нормального приема полезного сигнала. Нормальный прием обычно осуществляется при отношении сигнал/помех равный 12 дБ (четыре раза). Следовательно, требуется подавить помеху до уровня:

(17.2)

А это означает, что мы должны подавить помеху в

(16.3)

Ни одно из существующих в настоящее время устройств не способно выполнить эти требования. Аналоговые радиоприемные устройства позволяют подавить сигнал соседнего канала на 80 дБ. Это приводит к необходимости организационных мер, которые позволяют избежать описанной ситуации.

Разработка радиоприемных устройств с более высокими параметрами по избирательности по соседнему каналу могла бы существенно ослабить требования к взаимному размещению радиоэлектронных средств или то же самое увеличить пропускную способность радиоэфира.

Цифровые фильтры достаточно легко позволяют обеспечить подавление нежелательных сигналов до 120 дБ. В то же самое время предельная цифра подавления нежелательных каналов в аналоговых фильтрах ограничивается значением 80 дБ. Этим объясняется интерес к разработке радиоприемных устройств, выполненных полностью с использованием цифровых технологий.

Структурные схемы приемников радиосигналов, реализованных в цифровом виде, не отличаются от классических схем, используемых в аналоговой схемотехнике. Наиболее распространена супергетеродинная схема с переносом принимаемой частоты на промежуточную частоту. Структурная схема высокочастотного тракта супергетеродинного приемника приведена на рисунке 17.1.

Рисунок 17.1 – Структурная схема супергетеродинного приемника

В этой схеме после переноса частоты на промежуточную частоту полезный сигнал выделяется при помощи фильтра основной избирательности. В аналоговых схемах требуются усилители для обеспечения оптимального режима работы демодулятора.

При цифровой реализации супергетеродинного тракта следует принимать во внимание, что цифровые фильтры обычно обладают усилением.

17.1 Цифровые преобразователи частоты

Фильтр с хорошими избирательными свойствами можно получить только на определенной частоте. Реализация перестраиваемого фильтра с подобными характеристиками, а тем более с характеристиками одинаковыми при перестройке по диапазону частот, практически невозможна. Это было определено еще при разработке аналоговых приемников.

Именно поэтому обычно производится преобразование входного сигнала к определенной, заранее известной частоте. Эта частота называется промежуточной частотой.

Задача преобразователя частоты заключается в переносе спектра принимаемого сигнала на заданную частоту без искажений. Из теории построения радиоприемных устройств известно, что перенос частот заданного диапазона на промежуточную или на нулевую частоту наилучшим образом осуществляет умножитель, в каком бы виде он не был реализован.

Для этого входной сигнал необходимо умножить на синусоидальное напряжение гетеродина. На выходе умножителя напряжение (или цифровые отсчеты сигнала) может быть выражено при помощи следующей формулы:

(17.4)

Как известно, при помощи тригонометрических преобразований это выражение может быть приведено к следующему виду:

(17.5)

Это означает, что на выходе умножителя входной сигнал переносится на частоты, равные сумме и разности частот принимаемого сигнала и гетеродина. Обычно преобразование частоты осуществляется вниз. Значение промежуточной частоты при преобразовании вниз может быть определено по следующей формуле:

(17.6)

Именно эта частота выделяется при помощи полосового фильтра. Проблема заключается в том, что аналоговые схемы могут выполнять операцию умножения только с некоторыми ограничениями. В результате на выходе преобразователя частоты появляется неподавленное напряжение гетеродина и сигнала, появляются продукты преобразования гармоник сигнала и гетеродина.

Кроме того, аналоговые преобразователи частоты способны выполнять операцию умножения только в определенном диапазоне частот и напряжений. Это связано с большим динамическим диапазоном входного и выходного сигнала, что приводит к значительному изменению тока преобразователя. Отношение минимального и максимального токов может достигать значения в нескольких порядков. Очень трудно обеспечить желаемые характеристики электронного прибора при таком диапазоне изменения рабочего тока.

Цифровой умножитель выполняет операцию умножения непосредственно как математическую операцию. Поэтому мы можем заранее рассчитать допустимый уровень мешающих сигналов. При необходимости снизить этот уровень можно увеличить разрядность умножителя или увеличить частоту дискретизации входного сигнала.

Структурная схема цифрового приемника приведена на рисунке 17.2.

Рисунок 17.2 – Структурная схема цифрового приемника