Основные вопросы по дисциплине «Устройства приема и обработки сигналов»

1. Представьте электрическую принципиальную схему входной цепи для настроенной антенны. Напишите формулы для определения резонансной частоты f₀, полосы пропускания П, резонансного коэффициента передачи К₀ и избирательности на частоте помехи f_пом= 2f₀ через элементы схемы (величины элементов схемы и сопротивление потерь контура считайте известными).

2. С какой целью в усилителе радиочастоты и усилителе промежуточной частоты применяются частотно-избирательные системы? Почему в диапазонных приемниках возникает необходимость перестройки избирательных систем преселектора?

3. При каких условиях можно считать, что состав выходного тока преобразователя частоты характеризуется выражением

f_k=± nf_r ± f_c ?

4. Перечислите виды искажений сигнала в линейном амплитудном детекторе, которые зависят от постоянной времени нагрузки детектора. Объясните причины их возникновения.

5. Рассчитать чувствительность приемника, если отношение сигнал/шум на выходе его линейной части должно быть равно 20дБ, а уровень шумов источника составляет 0.2 мкВ. Коэффициент шума приемника равен 5.

6. Представьте электрическую принципиальную схему входной цепи с емкостной связью с антенной. Укажите ее достоинства и недостатки. Объясните характер зависимости коэффициента усиления К₀ (f₀) и полосы пропускания П(f₀) при изменении частоты f₀ от f_{0 мин} до f_{0 макс}. Считайте, что эквивалент малоэффективной антенны представляет собой последовательное соединение емкости антенны С_а и эдс Е_А, входная цепь нагружена на бесконечно большое входное сопротивление полевого транзистора.

7. Перечислите виды и причины нелинейных искажений в усилителе радиочастоты радиоприемного устройства при воздействии помех. Какие параметры помех влияют на величину нелинейных искажений?

8. Сформулируйте необходимые условия для получения эффекта преобразования частоты. Докажите свои утверждения.

9. Нарисуйте форму сигнала на входе и выходе:

а) импульсного детектора;

б) пикового детектора,

если на их входы поступает немодулированная последовательность радиоимпульсов.

10. Как перевести импульсный детектор в режим пикового детектирования при сохранении величины К_д?

11. Когда возникает необходимость двойного преобразования частоты в приемниках? Какая из промежуточных частот f_пр1 или f_пр2 должна быть больше другой и почему?

12. Нарисуйте основные принципиальные схемы входных цепей для настроенной и ненастроенной антенн. Сформулируйте отличие в требованиях по входным цепям приемников КВ и УКВ диапазонов, учитывая эквивалентные схемы антенн.

13. Определите резонансный коэффициент усиления К₀ и полосу пропускания П_0,7 усилителя промежуточной частоты (УПЧ), состоящего из четырех каскадов (n=4) с одиночными настроенными контурами, если коэффициенты усиления и полосы пропускания отдельных каскадов соответственно равны:

К₀₁ = 5 П₁= 10 кГц

К₀₂ = 8 П₂= 10 кГц

К₀₃ = 10 П₃= 31,2 кГц

К₀₄ = 3 П₄= 31,2 кГц

Учтите, что функция расширения полосы пропускания УПЧ имеет следующие значения:

n	1	2	3	4
	1	1,56	1,96	2,3

14. Какие условия необходимо обеспечить для получения максимального коэффициента преобразования, если используется преобразующий элемент с квадратичной вольтамперной характеристикой при U>0? Поясните графически свои утверждения.

15. Каково отличие в принципе работы амплитудно-частотного (АЧД) и фазо-частотного (ФЧД) детекторов? Перечислите названия схем АЧД и ФЧД детекторов.

16. Почему возникает необходимость преобразования частоты в приемниках?

17. Представьте принципиальную схему входной цепи с индуктивной связью с антенной. Объясните характер зависимости резонансного коэффициента усиления К₀ (f₀) и ее полосы пропускания П (f₀) при изменении резонансной частоты f₀ в диапазоне f_{0 мин} – f_{0 макс} для f_а< f_{0 мин} и f_а > f_{о макс.} Считайте, что входная цепь нагружена на бесконечно большое входное сопротивление полевого транзистора. Чем определяется резонансная частота антенны?

18. Представьте принципиальную схему резонансного усилителя. Объясните влияние проводимости обратной связи (Y₁₂) на величину коэффициента усиления, ширину полосы пропускания и на форму амплитудночастотной характеристики.

19. Какие условия необходимо обеспечить для получения максимального коэффициента преобразования, если используется преобразующий элемент с линейной BAX при U>E_отс, E_отс>0? Поясните графически свои утверждения.

20. Объясните назначение элементов схемы последовательного диодного детектора амплитудно модулированных колебаний. Объясните влияние величины емкости нагрузки (включая случай отсутствия емкости) на коэффициент передачи линейного детектора.

Устройства приема и обработки сигналов.

Вопрос 1: Представьте электрическую принципиальную схему входной цепи для настроенной антенны. Напишите формулы для определения резонансной частоты f₀, полосы пропускания П, резонансного коэффициента передачи К₀ и избирательности на частоте помехи f_пом= 2f₀ через элементы схемы (величины элементов схемы и сопротивление потерь контура считайте известными).

Входной цепью (ВЦ) называют часть приемного устройства, связывающую антенно-фидерную систему со входом первого каскада приемного устройства. Первым каскадом может быть усилитель радиочастоты, преобразователь, детектор и др. Входная цепь служит для обеспечения максимальной передачи мощности сигнала, максимального отношения мощности сигнала к мощности шумов и помех, обеспечения селекции сигнала при заданных параметрах антенного устройства. Обобщенная схема входной цепи:

В зависимости от вида антенны входные цепи классифицируют по следующим критериям: ВЦ при настроенной и ненастроенной антенне.

Ненастроенные антенны предназначены для работы с различными антеннами, имеющие комплексное внутреннее сопротивление, а параметры приемных устройств известны (бытовые вещательные приемники).

Настроенные антенны предназначены для работы с антенной, имеющей известное значение активного внутреннего сопротивления (профессиональная радиоаппаратура).

Схема одноконтурной ВЦ с трансформаторной связью с настроенной антенной (рис. 1) используется для радиоприемных устройств, работающих с фиксированной настройкой или имеющих незначительный коэффициент перекрытия по частоте. Данная схема ВЦ широко используется в коротковолновом диапазоне длин волн. Трансформатор используется как элемент согласования входной цепи с коаксиальной фидерной линией. Для устранения паразитной емкостной связи, нарушающей симметрию фидерной линии между индуктивностями связи и контура входной цепи, используется электростатический экран.

Рис. 1  Эквивалентная схема входной цепи с настроенной антенной

Эквивалентная схема входной цепи с настроенной антенной показана на рис. 2, а. После пересчета сопротивления и емкости нагрузки в контур получим:

, (4.0)

где – емкость контура; (рис. 2, б).

Эквивалентная схема входной цепи представлена для случая согласования антенны с линией передачи (фидером) , где – волновое сопротивление фидера. Сопротивление катушки связи мало по сравнению с волновым сопротивлением .

Рис. 2  Эквивалентная схема входной цепи с настроенной антенной

При работе с настроенной антенной обычно получают наибольшую передачу мощности при заданной полосе пропускания ( ). Селективность, как правило, незначительна. Режим бегущей волны в фидере обеспечивают согласованием его волнового сопротивления с входным сопротивлением приемника

(4.0)

на фиксированной частоте или на частоте .

Рассогласование, кроме потери мощности, приводит к появлению повторного сигнала на входе приемника, что создает искажения при приеме телевизионных сигналов и многоканальных широкополосных сообщений. Из (4.46) выражение для оптимального коэффициента связи будет

, (4.0)

где – условная добротность антенной цепи;

– добротность контура, нагруженного на выходе.

Поскольку в режиме согласования , эквивалентная добротность контура

, (4.0)

откуда

Максимальный коэффициент передачи, соответствующий оптимальной связи, с учетом сделанных допущений

, (4.0)

где резонансное сопротивление контура с учетом действия нагрузки

.

Связь с нагрузкой определяется выражением

. (4.0)

Подставив значение (4.50) в (4.49), получим выражение при заданной эквивалентной добротности:

. (4.0)

Эквивалентную добротность рассчитывают из условия обеспечения заданного ослабления на краях полосы пропускания [1]

.

Как видно из (4.51), при уменьшении эквивалентной добротности контура коэффициент передачи возрастает. Это объясняется тем, что при условии собственными потерями в контуре можно пренебречь и рассматривать его как идеальный трансформатор:

. (4.0)

Тогда, решаем нашу задачу, определим все недостающие параметры:

Должно выполняться условие согласования, также коэффициент включения должен быть согласован по входу и выходу. ; ; ; ; ; ; ;

Вопрос 2: С какой целью в усилителе радиочастоты и усилителе промежуточной частоты применяются частотно-избирательные системы? Почему в диапазонных приемниках возникает необходимость перестройки избирательных систем преселектора?

Чтобы обеспечить избирательность.

В усилителях радиочастоты наибольшее распространение получили базовые усилительные элементы на основе одиночных каскадов на биполярных и полевых транзисторах, выполненных на дискретных элементах или по интегральной технологии. Избирательные цепи, как правило, строятся на основе одиночного колебательного контура. До частот метрового диапазона длин волн используют колебательный контур с автотрансформаторным включением базового усилительного элемента. При сложности физической реализации заданного коэффициента включения используют трансформаторную или внутреннеемкостную связь с усилительным каскадом.

Усилители промежуточной частоты отличаются от усилителей радиочастоты наличием более сложных избирательных систем, обеспечивающих основную избирательность по соседнему каналу, и большим числом усилительных каскадов, обеспечивающих основное усиление сигнала. Структурные схемы усилителей промежуточной частоты строятся по принципу распределенной или сосредоточенной избирательности. При распределенной реализации в тракте УПЧ избирательность и усиление осуществляются с помощью поочередного каскадирования избирательных и усилительных звеньев, а при сосредоточенной – функция избирательности и усиления обеспечивается отдельными функциональными узлами – фильтром сосредоточенной селекции (ФСС) и многокаскадным апериодическим усилителем.

При построении УПЧ по схеме распределенной избирательности показатели и характеристики многокаскадных резонансных усилителей зависят от числа каскадов и типа избирательных систем.

К особенностям настройки супергетеродинного приемника относятся необходимость настройки преселектора на частоту принимаемого сигнала, а гетеродин настроить так, чтобы частота принимаемого сигнала преобразовалась в промежуточную частоту, соответствующую настройке усилителя промежуточной частоты. Частота гетеродина должна определяться формулой (2.1) и имеет вид

. (2.0).

В современных устройствах приема и обработки сигналов точная перестройка гетеродина достигается с помощью специальных схемно-конструктивных решений перестройки преселектора и гетеродина. Процедура перестройки называется сопряжением контуров.

Для обеспечения избирательности радиоприемных устройств по паразитным каналам приема необходим выбор схемы преселектора. Схема преселектора выбирается в зависимости от конкретных технических решений, определяемых следующими требованиями:

1. Избирательностью по зеркальному каналу. Чем выше избирательность, тем сложнее избирательная система преселектора или необходимо увеличить промежуточную частоту радиоприемного устройства.

2. Избирательностью по каналу прямого прохождения. Если избирательные системы не обеспечивают эффективное подавление сигналов на промежуточной частоте, то в схему преселектора вводят дополнительные заградительные фильтры, настроенные на промежуточную частоту.

3. Усиление сигнала до преобразователя частоты. Минимальное значение коэффициента усиления преселектора определяется требованием обеспечения необходимого отношения сигнал/шум. Максимальное значение коэффициента усиления преселектора определяется максимальным уровнем выходного сигнала, значение которого не должно влиять на режим работы преобразователя частоты.

Избирательность до первого нелинейного элемента (диода, варикапа, вариконда, электронной лампы, биполярного и полевого транзистора и др.). Эти требования увеличиваются при наличии сильных помех от расположенных поблизости мощных передатчиков, которые могут создать перекрестные помехи.

Настройка радиоприемного устройства осуществляется за счет синхронной перестройки избирательных систем преселектора и частоты гетеродина. Точность синхронной перестройки обеспечивается качеством сопряжения контуров преселектора и гетеродина.

Вопрос 3: При каких условиях можно считать, что состав выходного тока преобразователя частоты характеризуется выражением f_k=± nf_r ± f_c ?

Преобразователь частоты – это радиотехническое устройство, осуществляющее процесс переноса спектра радиосигнала из одной области радиочастотного диапазона в другую при сохранении структуры сигнала. В состав преобразователя входят: смеситель, гетеродин и нагрузка для сигнала промежуточной частоты. Процесс преобразования происходит в смесителе (шестиполюснике), содержащем нелинейный элемент, периодически изменяющий один из параметров (рис. 1). В качестве таких элементов используют транзисторы, лампы, варикапы и диоды.

Рис. 1  Эквивалентная схема преобразователя частоты

Состав выходного тока преобразователя частоты характеризуется выражением: f_k=± nf_r ± f_c, при условии, что х арактеристика устройства должна быть нелинейна, чем больше нелинейность тем больше комбинаций и достаточный уровень напряжения U чтобы выйти на линейный участок характеристики. Коэффициенты должны быть совместимы. Uг>=20Uc – квазилинейный режим.

Вопрос 4: Перечислите виды искажений в линейном амплитудном детекторе, которые зависят от постоянной времени нагрузки детектора. Объясните причины их возникновения.

Рис 1 – Электрическая схема амплитудного детектора

Искажения при детектировании сигналов с АМ называют отклонения формы выходного напряжения от огибающей входных высокочастотных колебаний. Источники искажений при демодуляции АМ-сигналов могут быть следующими:

1. Нелинейные искажения, обусловленные инерционностью детектора. При модуляции, когда постоянная времени разряда велика, напряжение на нагрузке падает медленнее, чем огибающая . Форма напряжения отличается от огибающей , что соответствует появлению нелинейных искажений радиовещательного сообщения. Графически изображение появления нелинейных искажений сообщения из-за инерционности детектора проиллюстрировано на рисунке 2.

Рис 2 – Нелинейные искажения в диодном детекторе

2. Нелинейные искажения, обусловленные цепь. Развязки по постоянному току. Нелинейные искажения информационного сигнала могут возникать по причине значительного различия в величине нагрузки для постоянно тока диода и для составляющей звуковой частоты. В схеме детектора присутствует конденсатор , разделяющий цепь АД и входя и последующего усилителя по постоянной составляющей. При этом параллельно конденсатору и резистору нагрузки подключены соединенные последовательно и . В случае выбора большой емкости конденсатора и малого сопротивления резистора время разряда конденсаторов и возрастает. Это происходит из-за того, что заряд большой емкости через сопротивление источника сигнала (высокое сопротивление предыдущего каскада), открытый диод и резистор будет происходить быстрее через сопротивление нагрузки и резистор . Уменьшение скорости разряда конденсаторов и может привести к нелинейным искажениям радиовещательного сообщения.

3. Линейные искажения. Вследствие инерционности нагрузки детектора возможны и линейные искажения, так как ее полное сопротивление падает при увеличении модулирующей частоты. При неизменном внутреннем сопротивлении детектора это приводит к уменьшению коэффициента передачи АД. Линейные искажения в реальных условиях малы, если постоянная времени нагрузки выбрана в соответствии с условием .

Вопрос 5: Рассчитать чувствительность приемника, если отношение сигнал/шум на выходе его линейной части должно быть равно 20дБ, а уровень шумов источника составляет 0.2 мкВ. Коэффициент шума приемника равен 5.

;

;

.

Решение:

- коэффициент шума приемника;

Выразим отсюда чувствительность приемника:

Отсюда получим:

Вопрос 6: Представьте электрическую принципиальную схему входной цепи с емкостной связью с антенной. Укажите ее достоинства и недостатки. Объясните характер зависимости коэффициента усиления К0 (f0) и полосы пропускания П(f0) при изменении частоты f0 от f0 мин до f0 макс. Считайте, что эквивалент малоэффективной антенны представляет собой последовательное соединение емкости антенны Са и эдс ЕА, входная цепь нагружена на бесконечно большое входное сопротивление полевого транзистора.

Достоинство данной схемы состоит в том, что она очень простая.

Недостатки:

• Емкость конденсатора связи Ссв с антенной должна быть маленькой, чтобы в параллельный контур не вносилось Са

• Частотно зависимый коэффициент передачи, его большая неравномерность.

Представим зависимости коэффициента усиления и полосы пропускания от частоты: