«Радиоприемники чмс (частотно- модулированных сигналов)»

План лекции

10.1 Общие сведения об ЧМС

10.2 Характеристика радиоприемника

10.3 Автоматическая подстройка частоты (АПЧ)

Литература

1. Хольний В. Я. Конспект лекций ("Устройства приема и обработки сигналов" и "Альбом рисунков и таблиц к конспекту лекций по дисциплине Устройства приема и обработки сигналов ") Кривой Рог: КК НАУ, 2012 – 56с.

2. Фомин А. И. Радиоприемные устройства – М.: Радио и связь, 2003г. – 520 с.

3. Румянцев К.Е. Радиоприемные устройства: учебник. – М.: Видавничий центр «Академия», 2006г. – 336с.

4. Головин О. В. Радиоприемные устройства – М.: Горячая линия–Телеком, 2004г. – 384с.

5. Карлов А. М., Криници В. В., Логвин А. И. Прием и обработка сигналов в авиационных радиоустройствах. М.: Транспорт, 1992 – 328 с.

Содержание лекции

10.1 Общие сведения об ЧМС

Определение. ЧМС - радиосигнал, частота которого изменяется во времени по закону модуляции (рис 29,а).

Алгоритм формирования ЧМС (рис.29, а).

Уравнение ЧМС при тональной модуляции (рис.29, б).

Параметры ЧМС (рис 29,а).

Спектр. ЧМС является сложным PC, так как его период изменяется во времени. Он содержит спектр частот (рис. 29, в).

• При модуляции гармоническим колебанием в состав ЧМС входит несущее колебания с частотой f_н и бесконечное число пар боковых составляющих с частотами f_н nF с увеличением номера боковой составляющей её амплитуда уменьшается

• Ширина спектра ЧМС определяется как частотный интервал между крайними боковыми составляющими, амплитуда которых не меньше 5% от амплитуды несущей. Номер этой составляющей равен индексу частотной модуляции, округлённому по значению до ближайшего большего числа

Ш_с =2F(1+m_чм).

• При формировании узкополосного сигнала m_чм<<1, Ш_с=2F.

• При формировании широкополосного сигнала m_чм >> 1

Ш_с=2F * m_чм =2F∆ f₂ /F=2∆f_m=f_max-f_min

Применение ЧМС.

• В радиоканалах связи с повышенной помехозащищённостью:

• РПДУ ЧМС обеспечивает большую излучаемую мощность, чем АМС, так как боковые составляющие имеют большую мощность при неизменной амплитуде;

• РПУ ЧМС способен подавлять помехи амплитудной модуляции благодаря применению двустороннего амплитудного ограничителя.

• Радиосвязь с использованием ЧМС даёт существенные преимущества в диапазонах MB и ДМВ, так как каждый канал занимает широкую полосу

(III_с ≥250 кГц).

• С помощью ЧМС решаются разнообразные задачи в радиовещании, радиосвязи, радиолокации и радионавигации.

10.2 Характеристика радиоприемника

(Сопоставление с РПУ АМС)

Особенности условий работы.

• Обрабатывает ЧМС:

• необходимо обеспечить высокие электрические показатели, особенно помехозащищенность по внутреннему шуму при широкой полосе пропускания;

• требуется специальный детектор.

• PC обрабатывается на повышенной несущей частоте (MB и ДМВ).

Структурная схема РПУ (рис.30, а).

• Радиоприемник выполняется по супергетеродинной схеме с однократным или многократным преобразованием частоты для обеспечения высоких электрических показателей.

Особенности радиоканала:

• в состав ТСЧ входят функциональные каскады MB и ДМВ;

• ТПЧ широкополосный с повышенной помехозащищенностью по шумам и соседним помехам.

• Специальные каскады:

• АО - амплитудный ограничитель ослабляет амплитудные помехи;

• ЧД - частотный детектор преобразует ЧМС в модулирующее напряжение;

• АПЧ- автоматическая подстройка частоты повышает стабильность работы РПУ при отклонении от нормы несущей частоты радиосигнала и колебаний гетеродина о диапазонах MB и ДМВ.

АМПЛИТУДНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ (АО)

АО – четырехполюсник

Назначение. АО уменьшает паразитную амплитудную модуляцию в составе ЧМС.

Критерий функционирования: коэффициент модуляции на выходе меньше, чем на входе (т_вых<т_вх).

Характеристика и показатели. Критерии работоспособности.

• Амплитудная характеристика U_вых =Ψ(U_вх) рис. 30.б

• Напряжение порогового ограничения

U_П = U_{вх min} → U _{вых П}

• Напряжение ограничения

U_ОГ = U_{вх норм}→U_{ОГ вых}

• Коэффициент ограничения

К_ОГ = m_вх m_вых= m_вх.[( U_{ОГ вых} - U_{П вых})/ U_{ОГ вых}] ≥ К_{ОГ норм}

• Полоса пропускания

П_0.7(0.5)≥П_норм>Ш_с

Структурная схема .(рис.30,в)

• Структурные элементы:

• НЭ – преобразует АМК в импульсные колебания с фиксированной амплитудой тока или напряжения;

• ИП – фиксирует амплитуду напряжения ограничения;

• КК – восстанавливает синусоидальную форму колебания на выходе за счет выделения колебаний первой гармоники.

• УПЧ – возбудитель.

• ЧД – нагрузка.

Варианты каскада.

• Классификация по типу НЭ: на диодах или транзисторах.

• Наименование. В состав информации входит назначение каскада (АО) и тип НЭ.

Амплитудный ограничитель на диодах

Схема каскада. В состав АО входит два кремниевых высокочастотных диода, включенных параллельно контуру УПЧ в различных направлениях (рис.30,г).

Принцип стабилизации амплитуды выходного напряжения основан на шунтирующем свойстве диода колебательного контура УПЧ.

При малой амплитуде входного напряжения кремниевые диоды закрыты Их сопротивление большое, эквивалентное сопротивление контура максимальное и постоянное по значению. Каскад УПЧ обеспечивает максимальный и неизменный коэффициент усиления по напряжению

Если амплитуда входного сигнала превысит напряжение порогового срабатывания кремниевых диодов (0,9-1,2В), то они открываются. С увеличением амплитуды напряжения возрастает ток смещения, диодов, их сопротивление по переменному току уменьшается, что приводит к уменьшению эквивалентного сопротивления контура и коэффициента усиления каскада УПЧ по напряжению.

При обеспечении обратной зависимости получим:

U_вых =↑ U_вх ↓К_{u УПЧ}→Сonst

Реально коэффициент ограничения диодного ограничителя достигает

20-30 дБ

Применение. АО на диодах используется, если последний каскад УПЧ не влияет на избирательные свойства.

П_0.7(0.5)>>П_{0.7(0.5)РПУ}

Амплитудный ограничитель на транзисторах

Структура схемы (рис. 30 д). АО выполнен на двух транзисторах с эмиттерной связью.

• Первое звено – ЭП на VT₁.

• Второе звено – одноконтурный УПЧ на транзисторе VT₂ c ОБ.

• Электрическая связь между звеньями через R3.

Принцип стабилизации выходного напряжения основан на свойстве двухстороннего ограничения транзистора VT₂ (насыщение и закрытое состояние) при большой амплитуде входного сигнала.

Применение. Если последний каскад УПЧ имеет высокоизбирательную систему, которая не должна шунтироваться входным сопротивлением АО.

Микроминиатюризация АО

Опознание микросхемы, выполняющей функцию АРУ, осуществляется по буквенному коду второго элемента обозначения микросхемы и перечня номера серии, обеспечивающей обработку ЧМС (рис 13,14).

ХК (ЖА) – многофункциональная схема, в составе которой предусматривается АО (К237ХК6, К2ЖФ244).

Алгоритм формирования схемы с использованием сложной многофункциональной схемы аналогичной АРУ.

ЧАСТОТНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ (ЧД)

ЧД – четырехполюсник

Назначение. ЧД преобразует ЧМС в модулирующие напряжение (рис. 31. а).

Критерий функционирования U_мод =Ψ(U_ЧМС) ≠0.

Решаемые задачи: качественное преобразование напряжения частотной модуляции в модулирующее напряжение обеспечение максимального выходного напряжения модулирующей частоты при заданной девиации частоты, независимость выходного модулирующего напряжения от изменения амплитуды напряжения несущей ЧМС.

Показатели. Критерии работоспособности ЧД.

• Коэффициент передачи напряжения.

К_ЧД= U_{вых F}/ U_{вх H}≥ K_{ЧД норм} при ∆f_m= зад.

• Коэффициент гармоник.

К_Г = ·100% ≤ К_{Г норм}

• Коэффициенты частотных искажений на нижней и верхней звуковых частотах.

M_H= U_{вых F c} / U_{вых F н} ≤ M_{H норм,} М_В= U_{вых F c} / U_{вых FВ}≤ M_{В норм}

при F_H, F_B, F_C,- заданы, ∆f_m= Ψ(F)= Const.

• Коэффициент подавления амплитудной модуляции

К_ЧМС= U_{вых F c (∆fm)} / U_{вых F c (m)}≥ К _{норм ,}

где U_{вых F c (∆fm)} - выходное напряжение на средней звуковой частоте, при ∆f_m= норм.

U_{вых F c (m)} – выходное напряжение на средней звуковой частоте при m=задано=30%.

Варианты ЧД по принципу преобразования ЧМС.

• Частотно-амплитудные детекторы (ЧАД).

• Частотно-импульсные детекторы (ЧИД).

Частотно-амплитудные детекторы

Структурная схема (рис.31, а,б).

• Структурные звенья ЧАД:

• П ЧМ – АМ – преобразователь частотной модуляции в амплитудную;

• АД – амплитудный детектор преобразует АМС в модулирующее напряжение;

• АО – возбудитель.

• УЗЧ – потребитель.

Варианты ЧАД.

• Классификация.

• По виду П ЧМ-АМ: частотные и фазовые.

• По структуре схемы: однотактные (простые) и двухтактные (балансные).

• Наименование каскада. В состав информации входит назначение и принцип преобразования ЧМС (ЧАД) и элементы его классификации.

Однотактный ЧАД с частотным преобразователем.

(базовый вариант)

• Схема каскада (рис. 31, г)

• Принцип исполнения схемы аналогичный последовательном АД на диоде (VD, R_ф, C_ф, С_р), однако, дополнительно подключен одиночный колебательный контур между АО и АД.

• Опознавание каскада по схеме:

1. детектор частотный по месту подключения (АО-ЧД-УЗЧ);

2. по принципу преобразования частотно-амплитудный (КК),

3. однотактный - одно плечо относительно корпуса.

Наименование(ПЗ).

• Принцип преобразования ЧМС в модулирующее напряжение.

• Преобразователь ЧМ-АМ должен осуществлять линейное преобразование ЧМС в АМС (рис. 31, в).

1. Основой для преобразования служит амплитудно-частотная

2. характеристика U₁ = Ψ(f) колебательного контура LC (рис 31, д).

3. Обеспечение линейности при преобразовании изменения частоты в изменение амплитуды достигается:

- выборам рабочего участка (РУ) на восходящем или падающем участках(1 -2) графика U₁ = Ψ(f);

- положением точки исходного режима (ТИР) на средние РУ(1-2), благодаря расстройки контура относительно несущей частоты ЧМС f₀>f_н;

- благодаря выбору протяженности РУ(1-2)по частоте не меньше полосы качания ЧМС f₂-f₁≥2∆f_{m .}

78. График U_ml =Ψ(t) свидетельствует, что между амплитудой напряжения во времени и частотой ЧМС обеспечена линейная зависимость.

79. График U_l =Ψ(t) иллюстрирует ,что на выходе преобразователя сформировался ЧМС, амплитуда которого изменяется во времени в соответствии с законом изменения частоты ЧМС.

• Амплитудный детектор (АД) должен осуществлять линейное преобразование АМС в модулирующее напряжение. Основные этапы преобразование сигнала показаны с помощью эпюр (рис. 31, в).

• Проверка технического состояния ЧАД осуществляется в лабораторных условиях по разработанной технологии на основании критериев П2, 4 ЧД - четырехполюсник.

• Алгоритм поиска отказавших цепей для ЧАД осуществляется по методике, изложенной для АД.

• Анализ свойств.

• Каскад имеет наиболее простой вариант схемы.

• Каскад вносит значительные нелинейные искажения при воздействии широкополосного ЧМС:

1. - К_{Г ЧАД} = К_{Г ПЧМ – АМ} + К_{Г АД};

80. - ↑ К_{Г ПЧМ – АМ} = Ψ(О_э) – рабочий участок не прямая линия;

81. - ↓ К_{Г АД} Ψ (↑U_{m n ,} ↓ _{m ,} ↓ F _B , ↓ R_ф, C_ф , ↑R_{вх УЗЧ} )→0.

• Вносит частотные искажения за счет АД

M_H= Ψ(F_{Н .} С_Р) , M_В= Ψ(F_B C_Ф).

• Обеспечивает малый коэффициент передачи напряжения:

1. K_{u ЧАД}=K_{u ЧМ-АМ}*К_{u АД;}

2. К_{u АД}<1;

3. ↓ K_{u ЧМ-АМ}=Ψ(↓Q_э).

• Не обеспечивает фильтрацию паразитной амплитудной модуляции, поэтому требуется применение АО.

• Применение. Практически не используется, так как имеет низкие показатели при обработке широкополосного ЧМС, однако, является основой для формирования двухтактных ЧАД.

Балансный ЧАД с частотным преобразователем (сопоставление с базовым вариантом)

• Структура схемы - два однотактных симметричных плеча (рис 32, б):

• Плечо: L₁ C₁, VD₁, R'_Ф C'_Ф, С'_Р.

• Плечо: L₂, C₂, VD₂, R′′_ф, C′′_ф, С′′_Р

• Q_э1= Q_э2,К_св1=f₀₁-f_н= f_н- f₀₂. VD₁= VD₂, R'_Ф= R′′_Ф, C'_Ф= C′′_Ф, С'_Р= С′′_Р.

• Нагрузка общая для двух плеч –R_н.

• Особенности режима работы

• Колебательные контуры преобразователя имеют симметричную расстройку относительно несущей ЧМС (рис 32,г), поэтому протяженность рабочего участка увеличивается в два раза.

• В плечах преобразователя формируется АМС, огибающие которых сдвинута по фазе на 180° (рис.32, а, в).

• Постоянные составляющие в плечах АД вычитаются, а переменные модулирующей частоты складываются (рис 32, б).

• Сопоставление свойств.

• Каскад вносит меньшие нелинейные искажения:

1. у преобразователя протяженность РУ в 2 раза больше;

2. симметричная двухтактная схема подавляет четные гармоники, которые появились в результате нелинейных искажений в отдельных плечах;

• Больше коэффициент передачи напряжения:

1. возможно использования контуров в составе преобразователя с эквивалентной добротностью в 2 раза больше при одинаковой протяженности РУ;

2. выходное напряжение ЧАД определяется как суммарное двух плеч;

• Сложная схема:

1. используется большее количество элементов;

2. необходимость симметрирование плеч.

• Не обеспечивает фильтрацию паразитной амплитудной модуляции поэтому требуется применение АО.

• Применение. В РПУ ЧМС при обработке сигнала с низкой промежуточной частотой (f_пр=f_н) и с большой девиацией частоты.

Балансный ЧАД с фазовым преобразователем.

• Структура схемы (рис.33,б).

• ЧАД выполнен по двухтактной схеме:

1. 1 плечо: 0,5 L₂ C₄ VD₁, R₁ C₅, L₃(L₁ C₁);

2. 2 плечо: 0,5 L₂ C₄ VD₂, R₁ C₆, L₃(L₁ C₁);

• В состав преобразователя входит два колебательных контура (L₁ C₁ и L₂ C₄) с индуктивной связью, каждый из которых настроен в резонанс на промежуточную частоту(f₀₁=f₀₂=f_пр):

1. первичный является составной частью АО имеет низкую добротность;

2. вторичный включен в состав плеч АД имеет повышенную эквивалентную добротность.

• Принцип преобразование ЧМС в модулирующее напряжение.

• В основу работы преобразователя положены фазовые свойства вторичного контура φ=е₂ I₂.

1. Напряжение в плечах АД формируется в виде векторной суммы напряжений первичного контура (U₁) и половины напряжения вторичного контура U′₁ (U′′₂).

U₁= U₁+ U′₂; U′₂= U₁+ U′′₂

82. Опорное напряжение первичного контура (U′₁) прикладывается к плечам АД в одинаковой фазе через дроссель L₃(рис.33, б.). Фаза и амплитуда этого колебания не изменяется в приделах качания частоты ЧМС, так как контур, составная часть АО, имеет низкую эквивалентную добротность(рис.33, в).

83. Со вторичного контура прикладывается к плечам АД равные по амплитуде напряжения (U′₁ = U′′₂), сдвинутые по фазе на 180º. Эти напряжения сдвигаются по фазе относительно опорного(U′₁) при качании частоты ЧМС, так как вторичный контур высокодобротный, поэтому в нём изменяется фазовый сдвиг между наведенной ЭДС (е₂) и током (I₂).

84. Результирующая амплитуда напряжения в плечах АД (U′_I U′′_II) изменяется при качании ЧМС, благодаря изменению фазового сдвига между слагаемыми напряжениями.

85. При качании частоты ЧМС в плечах АД формируется АМС со сдвигом по фазе огибающей на 180º(рис.33,а и в):

- при f_н=f₀₁=f₀₂ результирующая амплитуда в плечах одинаковая (рис.33,г);

- при f_н=f₀₁>f₀₂ амплитуда колебаний в первом плече АД увеличивается, а во втором уменьшается (U_{I m} >U_{II m});

- при f_н=f₀₁<f₀₂ амплитуда колебаний в первом плече АД уменьшается , а во втором увеличивается.

• Электрические процессы при обработке РС в двухтактном АД рассмотрены при изучении балансного ЧАД с частотным преобразователем и проиллюстрированным с помощью эпюр.

• Сопоставление свойств с балансным и частотным преобразователем:

• меньше нелинейные напряжения, так как рабочий участок фазовой характеристики близок к прямой линии, чем его амплитудно-частотной характеристики (рис. 33, д);

• обеспечивает больший коэффициент передачи напряжения, так как вторичный контур высокодобротный и настроен в резонанс на несущую частоту ЧМС.

• имеет короткий рабочий участок.

• Применение. В качестве ЧАД в составе РПУ с повышенной промежуточной частотой; в системах АПЧ с повышенной точностью подстройки частоты гетеродина.

Балансный ЧАД с фазовым преобразователем и согласным включением диодов (дробный ЧАД).

• Структура схемы (рис.34, б)

• П_ЧМ-АМ - фазовый: двухконтурная связанная система

(L_к, C_к, L′_к, C′_к, f₀₁=f₀₂= f_н, Q_э2>Q_э1);

• АД двухтактный:

1. 1 Плечо: 0,5 L′_к, VD₁, R'_д, R'_Ф C'_Ф, L_св;

2. 2 Плечо: 0,5 L′_к, VD₂, R′'_д, R′′_Ф C′′_Ф, L_св;

3. VD₁ и VD₂ включены согласно.

4. Нагрузка подключена между средними точками R'_Ф R′′_Ф C'_Ф C′′_Ф;

5. дополнительные элементы и звенья:

6. R_д – добавочный резистор исключает резонанс в цепи L_св

7. R'_Д, R'′_Д – добавочные резисторы обеспечивают симметрирование плеч АД;

8. С₀ – конденсатор фильтра, подключенный параллельно R'_Ф R′′_Ф

9. C_Ф1 R_Ф C_Ф2 –П – образный фильтр нижних частот, подключенный между выходом ЧАД и входом УЗЧ, фильтрует колебания промежуточной частоты;

10. УПЧ – возбудитель;

11. УЗЧ – потребитель.

• Принцип преобразования ЧМС в модулирующее напряжение.

• Фазовый преобразователь формирует в каждом плече АМС с одинаковой амплитудой несущей, огибающие которого сдвинуты пи фазе на 180^º Принцип преобразования рассмотрен при изучении балансного ЧАД с фазовым дискриминатором и встречном включении диодов в плечах АД.

• Постоянные составляющие токов симметричных плеч равны по значению и протекают по нагрузке во встречных направлениях, поэтому постоянное напряжение на выходе АД равно нулю (рис.34, б).

• Переменные составляющие токов модулирующего колебания двух симметричных плеч имеют равные амплитуды и протекают по нагрузке в одинаковом направлении, поэтому выходные напряжения плеч суммируются на выходе АД (рис.34, а, б, в).

• Сопоставление свойств с предыдущим вариантом ЧАД.

• ЧАД подавляет паразитную амплитудную модуляцию входного ЧМС: чем больше амплитуда опорного напряжения, тем больше постоянные составляющие токов двух диодов VD₁ и VD₂, поэтому резисторы R'_Ф и R"_Ф в большей степени шунтируют вторичный колебательный контур, уменьшают его эквивалентную добротность, у уменьшают коэффициент передачи напряжения, поэтому амплитуда опорного напряжения стабилизируется;

• быстрые изменения амплитуды несущей ЧМС не влияют на стабильность амплитуды из-за шунтирующего влияния конденсатора С₀

• ЧАД обеспечивает меньший коэффициент передачи по напряжению, так как вторичный контур имеет меньшую эквивалентную добротность из-за шунтирующего влияния R'_Ф и R"_Ф, поэтому его фазовая характеристика имеет меньшую крутизну (рис. 33, д ).

• Применение В РПУ ЧМС, если радиосигнал широкополосный и не предусматривается АО.

ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ (ЧИД)

Структурная схема (рис. 35, а).

• Структурные звенья ЧИД

П_ЧМ-ВИМ - преобразователь осуществляет преобразование ЧМС в однополярные импульсы с одинаковой длительностью, частота повторения которых повторяет закон изменения частотной модуляции (временная импульсная модуляция, (рис 35, б). U_вх(t), U₁(t), U₂(t);

Детектор сигнала ВИM представляет собой ФНЧ, выделяющий из временного импульсного напряжения модулирующий сигнал (рис. 35, б), U_вых(t).

Сопоставление свойств с ЧАД.

• Возможность выбора низкой промежуточной частоты.

• Независимость результата от средней несущей частоты ЧМС.

• Малые нелинейные искажения.

• Повышенная помехозащищенность из-за эффективного подавления паразитной амплитудной модуляции.

• Сложность схемы.

• Необходима большая амплитуда напряжения от возбудителя.

Применение. В РПУ на микросхемах.

Микроминиатюризация ЧД

Опознание микросхем, выполняющей функцию ЧД, осуществляет по буквенному коду второго элемента обозначения микросхемы и по перечню номера серии обеспечивающий обработку ЧМС (рис. 13, 14).

ДС – микросхема, выполняющая функцию ЧД (К2ДС241);

ХК – многофункциональная комбинированная микросхема, в составе которой предусматривается ЧД(К237ХК6).

Алгоритм формирования схемы с использованием микросхемы изучен при рассмотрении УСЧ и АРУ.