2.3. Выбор числа и типа избирательных систем

Первым шагом к выбору структуры частотно-избирательного тракта приемника является обычно определение значения промежуточной частоты f_пр. При выборе f_пр необходимо учитывать целый ряд условий, к которым относятся следующие:

• промежуточная частота выбирается в тех участках частотной оси, где отсутствует излучение радиовещательных станций и других мощных радиопередатчиков, во избежание помех, попадающих непосредственно на вход УПЧ;

• чем выше промежуточная частота, тем легче обеспечить заданную избирательность по зеркальному каналу;

• при слишком низкой f_пр затрудняется процесс детектирования и фильтрации сигнала промежуточной частоты.

Международным консультативным комитетом по радиовещанию и радиосвязи (МККР) рекомендован ряд значений промежуточной частоты, который также закреплен в государственных стандартах России.

В обычной радиовещательной аппаратуре всех групп сложности наибольшее применение находят значения f_пр = 4652 кГц для диапазонов ДВ, СВ, КВ (с амплитудной модуляцией) и f_пр = 10,70,1 МГц для диапазонов УКВ (с частотной модуляцией). Для этих частот выпускается широкая номенклатура пьезокерамических фильтров сосредоточенной избирательности (ФСИ), которые удовлетворяют требованиям по полосе пропускания и неравномерности амплитудно-частотной характеристики к аппаратам всех групп сложности, кроме стационарных аппаратов нулевой группы.

Поэтому, как правило, при проектировании радиовещательного приемника принимают именно это значение промежуточной частоты: f_пр= 465 кГц для диапазонов, в которых ведется прием сигналов с амплитудной модуляцией, или f_пр= 10,7 МГц для диапазонов УКВ с частотной модуляцией, если в ТЗ специально не оговорено применение другого значения f_пр

Следующим шагом, связанным с предыдущим, является определение структуры избирательной системы на промежуточной частоте, в которую входят фильтр ПЧ на выходе смесителя и фильтры, находящиеся в составе схемы усилителя промежуточной частоты. Предварительно следует определить требуемую полосу пропускания тракта промежуточной частоты П_пр0,5. Уровень 0,5 по напряжению соответствует -6 дБ. На этом уровне обычно задается полоса радиовещательного приемника. Обычно она определяется в соответствии с выражением:

П_пр0,5 = F_c + 2(f_пер + f_пр), (2.2)

гдеF_c - полоса частот принимаемого сигнала;

f_пер, f_пр - нестабильность частот передатчика и приемника.

Для сигнала с амплитудной модуляцией:

F_с = 2F_в, (2.3)

для сигнала с ЧМ:

F_c=2F_в(1+ ), (2.4)

где F_в - верхнее значение частоты модуляции,

 - индекс частотной модуляции при этом значении.

Данные о величинах f_пер и f_пр приводятся в литературе, например в [2]. Выражения (2.2)...(2.4) используют, если в ТЗ приведено значение F_в. В тех случаях, когда в ТЗ приведено значение полосы пропускания приемника П_тз, принимают

П_пр0,5 = П_тз (2.5)

В настоящее время применяются два типа структуры избирательной системы на промежуточной частоте:

• УПЧ с распределенной избирательностью, в котором имеется несколько каскадов с резонансными нагрузками одноконтурного и двухконтурного типа. При этом каждый каскад вносит примерно равный вклад в частотную селекцию.

• УПЧ с сосредоточенной избирательностью, в котором основная доля частотной избирательности обеспечивается с помощью фильтра сосредоточенной избирательности (ФСИ), включаемого сразу после смесителя. Каскады УПЧ в этом случае выполняются сравнительно широкополосными, либо апериодическими.

По современным представлениям, в большинстве случаев наиболее эффективным является применение сосредоточенной избирательности, что подкрепляется наличием широкой номенклатуры высококачественных пьезокерамических и электромеханических фильтров, производимых промышленностью. Этот вариант выгоден еще и тем, что позволяет выполнить УПЧ преимущественно из апериодических каскадов, входящих в состав одной интегральной микросхемы.

Вариант с сосредоточенной избирательностью можно принять и в том случае, если существующие типы пьезокерамических фильтров неспособны обеспечить требования ТЗ (например, по полосе пропускания, неравномерности АЧХ, нелинейности фазочастотной характеристики и т.д.). При этом могут быть использованы схемы ФСИ, выполненные на связанных LC-контурах. Методика их проектирования хорошо разработана и приводится в литературе [Вставить ссылку ].

Если за основу взят один из промышленных пьезокерамических ФСИ, следует иметь в виду, что эти фильтры имеют высокую крутизну скатов АЧХ вблизи полосы пропускания, однако не всегда обеспечивают монотонно спадающий характер АХЧ и достаточное затухание на частотах, удаленных от этой полосы. Для устранения этого недостатка обычно используют согласующий контур, включаемый в качестве нагрузки преобразователя частоты перед ФСИ, а также контур, включаемый на выходе УПЧ, к которому подключается детектор. Эти два контура выбираются с полосой пропускания, в несколько раз превышающей полосу пропускания ФСИ, чтобы не ухудшать неравномерность результирующей АЧХ в полосе частот принимаемого сигнала, однако они вносят заметное затухание на удаленных частотах.

Выбор конкретного типа пьезокерамического фильтра (ПКФ) производится на основании справочных данных [Вставить ]. Для каждого типа ПКФ указывается полоса пропускания по уровню -6 дБ, причем ее величина дается с некоторым разбросом. Выбор должен быть сделан так, чтобы нижняя граница этого разброса (наименьшее значение полосы для фильтра данного типа) была не менее требуемой полосы пропускания УПЧ. Для выбранного типа ПКФ в справочниках приводится затухание сигнала в фильтре, либо его коэффициент передачи К_офси, который будет необходим для дальнейших расчетов.

При выборе ПКФ для приемника диапазона УКВ (частотная модуляция) следует учитывать еще один его параметр - неравномерность группового времени задержки в полосе пропускания. Эта величина прямо влияет на уровень нелинейных искажений, возникающих в частотном детекторе, поэтому ее следует принимать во внимание, если в ТЗ оговаривается величина коэффициента гармоник на выходе приемника.

После того, как выбран тип и определены параметры избирательной системы на промежуточной частоте, определяют число и тип избирательных систем, входящих в состав преселектора и обеспечивающих частотную избирательность на частоте принятого сигнала. Здесь основным требованием является обеспечение избирательности по побочным каналам приема, в первую очередь, по зеркальному каналу. Если принять «верхнюю» настройку гетеродина для всех диапазонов приемника, частота зеркального канала определяется как

f_зк = f_o + 2f_пр, (2.6)

гдеf_o - частота настройки приемника.

Согласно ГОСТ 5651-89, избирательность по зеркальному каналу определяется в диапазоне ДВ - на частоте настройки приемника f_o = 200 кГц, в диапазоне СВ - f _o= 1000 кГц, в диапазоне УКВ-1 - на частоте f_o = 69 МГц. Для диапазонов КВ и УКВ-2 значения частот не установлены, но по аналогии с приведенными значениями можно определить избирательность по зеркальному каналу в средней точке диапазона.

Для определения числа избирательных систем преселектора предполагают, что каждая такая система представляет собой одиночный колебательный контур, причем характеристики контуров одинаковы. Подавление помехи зеркального канала каждым контуром, входящим в преселектор, определяется нормированной АЧХ контура.

, (2.7)

где_зк = Q_э(f_зк/ f_o - f_o/ f_зк) - обобщенная расстройка контура,

Q_э - эквивалентная добротность контура,

f_o - частота настройки контура,

f_зк - частота зеркального канала.

Из (2.7) видно, что при >>1 ослабление  изменяется примерно обратно пропорционально . Если выразить ослабление в децибелах, получим, что оно возрастает при увеличении  со скоростью 6 дБ на октаву (т.е. при увеличении  вдвое), или 20 дБ на декаду (т.е. при увеличении  в 10 раз). Для определения необходимого числа контуров приближенно оценивают требуемую скорость спада АЧХ преселектора. При этом считают, что за пределами полосы пропускания, взятой по уровню -3 дБ, затухание, выраженное в децибелах, увеличивается линейно. Поэтому скорость его увеличения

[дБ/дек], (2.9)

где _зк, дБ - требуемое ослабление зеркального канала по ТЗ,

_кэ = f_o/ Q_э - полоса пропускания эквивалентного контура.

Величину _кэ находят на частотах f_o, рекомендованных выше, а Q_э оценивают ориентировочно: для диапазона ДВ от 40 до 60, СВ - от 50 до 80, КВ - от 80 до 160, УКВ - от 60 до 120.

После этого определяют необходимое число контуров преселектора

. (2.10)

Если получается значение _прес  1, по в преселекторе достаточно одного колебательного контура, т.е. можно использовать одноконтурную входную цепь, а УРЧ может отсутствовать, либо быть апериодического типа.

Если 1< _прес  2 - следует использовать одноконтурную входную цепь и резонансный каскад УРЧ.

Если получилось _прес > 2, следует прежде всего выяснить, нельзя ли обойтись всего двумя контурами, так как использование более двух перестраиваемых контуров в преселекторе, а кроме того, контура гетеродина, слишком усложнит конструкцию приемника. Если 2 < _прес  3, следует рассмотреть возможность повышения избирательности контура за счет увеличения добротности. Также имеется возможность дополнительного увеличения избирательности по зеркальному каналу за счет действия катушки связи магнитной антенны в диапазонах ДВ, СВ, либо при использовании магнитной (трансформаторной) связи входного контура с антенной в диапазонах КВ и УКВ. Подробнее такая возможность будет рассмотрена в следующем разделе.

Если же указанных мер недостаточно, следует применить более сложные схемные решения, например, двойное преобразование частоты, либо подавление зеркального канала фазовым методом.

После определения числа колебательных контуров преселектора и их эквивалентной добротности, следует проверить выполнение требований ТЗ по подавлению другого опасного канала побочного приема - помехи с частотой f_пр. Проверка делается на частоте, ближайшей к f_пр, т.е. на минимальной частоте диапазона для всех диапазонов, кроме ДВ, и на максимальной частоте в диапазоне ДВ. Должно выполняться неравенство

(2.11)

где , дБ - заданное в ТЗ ослабление прямого канала приема,

- обобщенная расстройка на частоте f_пр.

В качестве _прес берется выбранное выше целое число контуров. Если условие (2.11) не выполняется при выбранном числе контуров, можно увеличить подавление прямого канала приема на 10..20 дБ путем использования режекторного фильтра, настроенного на f_пр. Возможно также дополнительное ослабление помехи на частоте f_пр до 20 дБ при применении двойной балансной схемы смесителя, например, на основе интегральной микросхемы К174ПС1.

В заключение данной части эскизного проектирования необходимо провести распределение заданной неравномерности усиления в полосе пропускания между звеньями и трактами приемника. При этом руководствуются требованиями ГОСТ5651-89 [1] на неравномерность частотной характеристики по выходному сигналу, либо по звуковому давлению. Такое распределение имеет смысл для диапазонов вещания с АМ, т.е. ДВ, СВ и КВ, так как в приемниках УКВ производится ограничение сигнала по амплитуде в частотном детекторе. Поэтому для приемников УКВ считают, что влияние АЧХ преселектора на неравномерность практически отсутствует, а неравномерность, вносимая УПЧ, составляет 6 дБ. Для приемников сигнала АМ допустимая неравномерность частотной характеристики всего тракта (включая УЗЧ) составляет по ГОСТ 5651-89: 18 дБ для диапазона ДВ и 14 дБ для диапазонов СВ и КВ. Из них на усилитель промежуточной частоты обычно приходится 6...8 дБ, а на преселектор 4...8 дБ для диапазона ДВ и 1...3 дБ для диапазонов СВ и КВ. Оставшаяся неравномерность отводится на усилитель звуковых частот.

Следует заметить, что все величины, определенные на данном этапе проектирования, носят предварительный характер. Возможно, что в процессе расчета входной цепи или УРЧ будут получены результаты, отличающиеся в худшую сторону, например, по ослаблению зеркального канала приема. В этом случае необходимо вернуться к стадии эскизного проектирования и повторить соответствующие шаги, скорректировав принятые ранее решения на основе вновь полученной информации. В любом случае, все пункты ТЗ должны быть в итоге выполнены.

Все рассуждения и выводы, изложенные в данном параграфе, делались в предположении, что в приемнике имеется лишь один принимаемый диапазон частот и один тип модуляции сигнала (АМ или ЧМ). Если же проектируемый приемник многодиапазонный и предназначен для приема как сигналов с АМ, так и сигналов с ЧМ, то все указанные действия должны быть проделаны для каждого диапазона, и принятые технические решения должны удовлетворять требованиям ТЗ на всех диапазонах. Возможен также вариант, когда в задании указан многодиапазонный приемник, но акцент делается на разработку какого-либо одного диапазона, для которого приводятся более подробные технические требования. При этом в ТЗ должно быть оговорено, насколько подробно производится расчет для каждого диапазона.