лекции по УППС (УПОС) ч.1 / Глава1 / гл1_3

30

1.3 РАДИОТРАКТ ПРИЕМНИКА

Информационный и усилительный тракты реализуют важнейшие функции РпрУ – рис.1.4. Усилительно-преобразовательный тракт (УТ) выделяет сигналы из всей совокупности поступающих от антенны помех, не совпадающих по частоте с сигналом, и усиливает энергию сигнала до уровня, необходимого для нормальной работы после­дующих каскадов. Информационный тракт (ИТ) предназначен для основной обра­ботки сигнала с целью получения информа­ции и ослабления мешающего воздействия помех; важнейшая задача ИТ – выделение информации с максимальной достоверностью.

 

Рис.1.4 – Структурная схема радиоприемного устройства

Принятый антенной радиосигнал с частотой f_С поступает в тракт высокой частоты (ТВЧ), в котором осуществляются частотная избирательность и усиление, возможно преобразование частоты, амплитудная и временная избирательность. Детектор (Д) преоб­разует принимаемые модулированные сигналы в напряжение, со­ответствующее передаваемому сообщению. В тракте частоты мо­дуляции f_m (ТЧМ) реализуется последетекторная обработка сиг­налов: усиление, дополнительные преобразования для ослабления действия помех, декодирование и разделение сообщений (в много­канальных системах).

Рис.1.5. Структурные схемы РПрУ







ЦС

Структурные схемы РПрУ различаются, прежде всего, построе­нием тракта высокой частоты. Наиболее простым является принцип построения при­емника прямого детектирования (детекторного) – рис. 1.5, а). Входная цепь (ВЦ) в виде резонансной системы обеспечивает частотную избирательность РПрУ, настройка на частоту принимаемого сиг­нала осуществляется перестройкой или переключением ВЦ. Отсутствие усиления сигнала до детектора упрощает устройство приемни­ка, но существенные недостатки схемы – низкая чувствитель­ность и избирательность – не устраняются усилителем частоты модуляции (УЧМ). РПрУ прямого детектирова­ния применяются в миллиметровом и оптическом диапазонах волн.


Рис. 1.5, а) – Детекторный приемник	Рис. 1.5, б) – Приемник прямого усиления

Приемник прямого усиления (рис.1.5, б) отличается от детекторного наличием усили­теля радиочастоты (УРЧ) и, как следствие, значительно бόльши­ми чувствительностью и избирательностью. Входная цепь и изби­рательные цепи УРЧ настроены на частоту принимаемого радио­сигнала. На этой частоте и осуществляется усиление радиосигнала, причем ВЦ обес­печивает предварительную, а УРЧ основную частотную избира­тельность и значительное усиление энергии сигнала. В тех диапазонах, где чувстви­тельность РПрУ определяется его собственными шумами, в качестве УРЧ используют малошумящие усилители (МШУ). Перестройка частоты приемника прямого усиления требует согласованной перестройки всех резонансных систем ВЦ и УРЧ.

При необходимости большого усиления энергии сигнала УРЧ может содержать несколько каскадов, что сопряжено со снижением его устойчивости и общей избирательности приемника, затрудняет техническую реализацию перестройки частоты. Вместо увеличения числа каскадов УРЧ можно использовать регенеративные и сверхрегенеративные уси­лители, обеспечивающие большее усиление в каждом каскаде. Однако такие усилители отличаются повышенными искажениями, относи­тельно низкой устойчивостью по отношению к дестабилизирующим факторам, повышенными паразитными излучениями. Поэтому они применяются редко, например, в портативных приемниках СВЧ. При любых типах используемых УРЧ полностью преодолеть присущие схеме прямого усиления недостатки не уда­ется, поэтому такие РПрУ с фиксированной настройкой применяются практически только в микроволновом и оптическом диапазонах.

Супергетеродинный принцип (рис. 1.5, в) существенно улучшает качественные показатели РПрУ. Супергетеродинные приемники строятся на основе преобразования частоты принимае­мого сигнала – переноса его в частотную область, где он может быть обработан с наибольшей эффективностью. Широкое распространение во всех радиодиапазонах получила построенная на этом принципе схема супергетеродинного приемника – рис. 1.5, в).

Г

Рис. 1.5, в) – Супергетеродинный приемник

В супергетеродинном приемнике сигналы частоты f_С преобразователем частоты (ПЧ) преобразуются в ко­лебания фиксированной промежуточной частоты f_ПР, на которой и осуществляются основное усиление и частотная избирательность. Преобразователь частоты состоит из смесителя (См) и генератора вспомогательных колебаний – гетеродина (Г). Смеситель содержит нелинейный элемент или элемент с переменным параметром, поэтому в результате воздей­ствия сигнала и колебаний гетеродина с частотой f_g на его выхо­де возникают колебания с комбинационными частотами

f =  mf_g  nf_С ,

где т, п – целые числа.

Одна из этих комбинацион­ных составляющих выделяется фильтром (резонансной системой) на выходе смесителя и используется в качестве новой несущей частоты выходного сигнала, усиливаемого затем усилителем про­межуточной частоты (УПЧ). Обычно используется наиболее ин­тенсивная комбинационная составляющая с т = l, п = 1 (простое преобразование), но иногда и с т  1, п =1 (сложное или комби­национное преобразование). При этом можно использовать как разность частот f_g и f_С (разностное преобразование), так и их сум­му (суммарное преобразование). При наиболее широко применяемом простом разностном преобразовании обычно f_ПР = f_g  f_С («верхняя» настройка гетеродина), но возможна и «нижняя» на­стройка с f_ПР = f_С  f_g. В обоих случаях f_g выбирается так, чтобы f_ПР была ниже границы диапазона рабочих частот f_ПР < f_{С min} .

Для того чтобы f_ПР оставалась постоянной при перестройке приемника в некотором диапазоне частот f_С, осуществляется со­пряженная перестройка ВЦ, резонансных цепей УРЧ и гетероди­на. Поскольку сигнал несет в себе полезную информацию, кото­рая в процессе преобразования должна сохраняться, ПЧ должен быть линейным по отношению к первичному сигналу, несмотря на принципи­ально нелинейный характер происходящих в нем процессов. Дру­гими словами, при преобразовании частоты происходит перенос спектра сигнала в область промежуточной частоты без наруше­ния амплитудных и фазовых соотношений его составляющих.

Радиочастотные цепи обладают, в большинстве слу­чаев, относительно широкой полосой пропускания – они обеспечи­вают лишь предварительную частотную избирательность (селекцию). Поэтому ВЦ и УРЧ называют предварительным селектором (преселектором). Основ­ная же избирательность приемника реализуется в тракте проме­жуточной частоты.

Чем выше частота принимаемого сигнала, тем сложнее в прин­ципе получить устойчивое малошумящее усиление энергии в УРЧ. По­этому на коротких сантиметровых и особенно на миллиметровых и оптических волнах приемники чаще всего не имеют УРЧ, при этом функция предварительной избирательности ложится цели­ком на входные цепи (ВЦ), а к шумовым характеристикам преобразователя частоты предъявляются повышенные требования.

Перенос сигнала на более низкую фиксированную частоту име­ет существенные преимущества: возможность реализации высокого устойчивого усиления за счет ослабления роли паразитных обрат­ных связей (ОС); сужение полосы пропускания без усложнения фильтрующих (резонансных) цепей; упрощение реализации УПЧ вследствие отсутствия необходимости перестройки. Следует, однако, иметь в виду, что пре­образование частоты обусловливает и ряд особенностей суперге­теродинного приема, требующих принятия специальных мер для нейтрализации их отрицательного влияния на показатели и ха­рактеристики РПрУ. К таким особенностям относятся: образова­ние побочных каналов приема, по которым в тракт РПрУ прони­кают различные помехи: влияние нестабильности частоты гетеро­дина на настройку приемника; возможность излучения колебаний гетеродина через приемную антенну. При высоких требованиях к избирательности по побочным ка­налам приема приходится применять 2-х- или 3-хкратное по­следовательное преобразование частоты, понижая ее до основной промежуточной, на которой и достигаются обычно необходимая избирательность по соседнему каналу и усиление.

Как при суммарном, так и при разностном преобразовании возможно такое преобразование частоты, когда f_ПР > f_Сmax. Такой супергетеродинный приемник называется инфрадином и отличает­ся тем, что при его работе в диапазоне частот перестраивается только гетеродин; преселектор может либо не перестраиваться вообще – широкополосные преселекторы, либо перестраиваться пу­тем переключения входных фильтров – фильтровые преселекторы. Высокую промежуточную частоту приходится затем понижать с помощью другого преобразователя. Достоинства инфрадина: возможность существенного подавления побочных кана­лов за счет высокой избирательности более сложных и совершен­ных входных цепей с фиксированной настройкой, упрощение настройки. Недо­статки – опасность перегрузки усилительных элементов широко­полосных входных каскадов посторонними мешающими процессами (помеха­ми) и повышенные требования к стабильности частоты высокочас­тотного гетеродина. Применяются инфрадины в системах подвижной связи и в других системах с беспоисковой (фиксированной) настройкой приемника.

 

Рис. 1.5, г) – Синхронизация гетеродина

Если выбрать f_С = f_g, то при разностном преобразовании f_ПР = 0 и реализуется принцип построения РПрУ с прямым преобразованием частоты сигнала (с преобразованием в «нулевую частоту»). В качестве смесителя используется перемножитель (рис. 1.5, г), на который поступают сигнал с преселектора и колебания гете­родина СГ, синхронизированные относительно колебаний сигнала с точностью до фазы с помощью цепи синхронизации (ЦС). На выходе перемножителя, играющего в данном случае роль синхрон­ного детектора, получается сигнал с частотой модуляции F_М, вы­деляемый фильтром нижних частот (ФНЧ) с полосой пропуска­ния F_Mmax, соответствующей максимальной частоте модуляции сигнала. Фильтр подавляет все составляющие, отстоящие от f_С на частоту более F_Mmax, чем достигается частотная избирательность приема. Такой приемник называется синхродином. К его достоинствам относятся простота и отсутствие ряда побочных каналов приема. Недостатки—низкая помехоустойчивость цепи синхрони­зации, содержащей систему ФАПЧ, и повышенные требования к линейности тракта. На основе двухканальных синхродинов с ис­пользованием квадратурных колебаний от общего гетеродина реа­лизуется асинхронный приемник прямого преобразования частоты, в котором не требуется синхронизация колебаний гетеродина и сигнала с точностью до фазы.

Супергетеродинный принцип построения РПрУ наиболее распространен. Многие из особенностей этого принципа обусловлены образованием соседних и побочных каналами приема, по которым в тракт РПрУ проникают помехи с частотами f_П. Спектр сигнала находится в основном канале приема – в полосе пропускания приемника. Соседний канал приема — это канал на частоте f_СК, примыкающей к основному каналу на частоте f_С. Вследствие недостаточной избирательности преселектора соседний канал не отфильтровывается и образует в преобразова­теле частоты помеху с частотой f'_ПР =  f_g  f_СК  f_ПР, попадающей в полосу пропускания УПЧ. Такая помеха усиливается на­равне с сигналом. Основная мера борьбы с помехами по соседнему каналу — повышение избирательности УПЧ.

Формулу для частот всех каналов приема можно записать в виде

f_П = mf_g  f_ПР  / n. Для сигнала с частотой f_С (m = 1, n = 1) знак «плюс» соответствует «нижней» настройке гетеродина, знак «минус» — «верхней».

Зеркальный, или симметричный, канал образуется внешней по­мехой на частоте f_П = f_ЗК = f_g + f_ПР = f_С + 2 f_ПР (m=1, n=1) при «верх­ней» настройке или f_П = f_ЗК = f_g  f_ПР = f_С  2 f_ПР — при «нижней». Ес­ли эта частота попадает в полосу пропускания преселектора, то в ПЧ появляется составляющая с частотой  f_ЗК  f_g  = f_ПР, т.е. та­кой же, какую образует полезный сигнал. В результате происхо­дит наложение спектров полезного сигнала и помехи, и их частот­ная фильтрация становится невозможной. Для ослабления помех по зеркальному каналу необходимо повышать частотную избира­тельность предварительного селектора (преселектора). Увеличение промежуточной частоты f_ПР позволяет лучше отфиль­тровать в преселекторе составляющую, отстоящую от частоты сигнала на 2f_ПР, но при этом затрудняется обеспечение высокой избирательности УПЧ с полосой пропускания, сопряжен­ной с шириной спектра полезного сигнала. Если требования к ос­лаблению помех по соседнему и зеркальному каналам очень жест­кие, применяют два-три последовательных преобразования час­тоты.

Прямой канал приема или канал промежуточной частоты об­разуется, когда помеха имеет частоту f_П = f_ПР (m=0, n=1) и без преобразования в ПЧ проходит в тракт УПЧ. Основные меры борьбы — включение в ВЦ режекторного фильтра (фильтра-проб­ки) на частоту f_ПР и повышение избирательности предварительного селектора (преселектора).

Частоты, близкие к f_ПР, могут образовываться также в резуль­тате преобразования помех на гармониках гетеродина

m= 2, 3, ...; n=1; f_П = m f_g  f_ПР,

на своих гармониках без участия гетеро­дина

m= 0; n = 2, 3, …; f_П = f_ПР /n,

на своих гармониках с участи­ем гетеродина

m= 1; n = 2, 3, …; f_П = (f_g  f_ПР) /n,

на комбинацион­ных частотах (m= 2, 3, ... ; n = 2, 3,...). Основные меры по ос­лаблению этих побочных каналов приема: снижение уровня гармоник гетеродина, повышение линейности преселектора, выбор соответствующего режима работы смесителя. Ослаблению этого интермодуляционного канала способствуют повышение частотной избирательности предварительного селектора (преселектора) и уменьше­ние усиления УРЧ. Нормированная АЧХ радиотракта типичного супергетеродин­ного приемника с УРЧ в соответствии с (1.1) определяется выра­жением

(f) = K (f) / K₀ = _вц(f)  _урч(f)  _пч(f)  _упч(f).

Обычно ВЦ и УРЧ более широкополосные по сравнению с ПЧ и УПЧ, поэтому в «супергетеродине» результирующая АЧХ радио­тракта и полоса пропускания определяются в основном АЧХ тракта промежуточной частоты – рис.1.6.

Р ис.1.6 – АЧХ трактов приемников

В соответствии с (1.2) односигнальная избирательность супергетеродинного приемника Se =K0/KП = Seвц(f)Seурч(f)Seпч(f)Seупч (f), где KП – коэффициент усиления (передачи) соответствующего каскада на частоте помехи fП.

Наиболее сложно реализуется из­бирательность по соседнему каналу, так как цепи образующих преселектор ВЦ и УРЧ обладают на частотах f_ск малой избирательностью (Se_ВЦ  1, Se_УРЧ  1) и Se_ск  Se_пч  Se_упч. Для побочных каналов приема Se_ПЧ  1, Se_УПЧ  1, поэтому избиратель­ность по отношению к ним достигается за счет увеличения Se_ВЦ и Se_УРЧ. Избирательность входных цепей Se_ВЦ и усилителей радиочастоты Se_УРЧ можно увеличить использованием перестраиваемого сравнительно узкополосного преселектора в соответствии с частотой основного канала приема f_С либо использованием неперестраиваемого преселектора с формой АЧХ, обеспечивающей повышенные значения селекции ВЦ и УРЧ, и соответствующим выбором f_ПР .

Многократное преобразование частоты позволяет достигать высокой избирательности по соседнему и зеркальному каналам, однако это связано с заметным усложнением УТ, и в частности с необходимостью обеспечения высокой стабильности частоты всех гетеродинов во избежание уменьшения коэффициента усиления тракта и искажений принимаемых сообщений.

30