Пример 1.1.

Определить ширину полосы пропускания линейного тракта двухполосного АМ радиовещательного сигнала, если заданы параметры: диапазон принимаемых частот от = 525 кГц до = 1607 кГц (диапазон СВ); промежуточная частота = 465 кГц; диапазон воспроизводимых звуковых частот от = 0,1 кГц до = 3,5 кГц.

Определяем реальную ширину спектра радиочастот принимаемого сигнала (1.1.13):

2·3,5 = 7 кГц.

Максимальная частота гетеродина:

,

= 1607+465 = 2072 кГц.

Зададимся относительной нестабильностью частоты гетеродина, частоты преобразования, частоты сигнала и определим запас полосы пропускания (1.1.20):

= 0,8 кГц.

Необходимая ширина полосы пропускания линейного тракта (1.1.1):

П = 7 + 0,8 = 7,8 кГц.

Коэффициент расширения полосы пропускания:

= = 1,11.

Таким образом, за счет повышения стабильности частоты гетеродина нельзя достигнуть существенного сужения полосы пропускания, тем самым улучшить чувствительность и избирательность приёмника.

2. Расчет структурной схемы линейного тракта приемника по ряду характеристик.

2.1. Определение структуры тракта высокой частоты по требованиям к чувствительности.

Расчет допустимого коэффициента шума приемника.

Определив необходимую полосу пропускания линейного тракта приёмника, необходимо пе­рейти к выбору первых каскадов, обеспечивающих требуемую чувствительность.

В диапазонах ДВ, СВ и KB реальная чувствитель­ность приемников ограничена внешними помехами (промышлен­ными и атмосферными) и собственными шумами, причем обычно в диапазонах ДВ и СВ (иногда и KB) уровень внешних помех на входе приемника оказывается больше приведенного к входу уровня собственных шумов приемника даже без УРЧ. Поскольку приемники ДВ, СВ, KB относительно узкополосные, в первом приближении можно счи­тать, что внешние помехи имеют такой же характер на выходе избирательной системы, как и собственные шумы. В этом случае для получения требуемой реальной чувствительности со входа внешней антенны коэффициент шума приемника не должен пре­вышать значения:

, (1.2.1)

где - реальная чувствительность, заданная величиной э.д.с. сигнала в антенне;

– минимально допустимое отношение эффективных напряжений сигнал/помеха на входе приёмника;

– напряженность поля внешних помех, В/м;

- действующая высота приёмной антенны, м;

– шумовая полоса пропускания линейного тракта приемника, Гц;

– полное сопротивление антенны, Ом;

, где – сопротивление излучения антенны, Ом;

– сопротивление потерь антенны, Ом;

Дж/град – постоянная Больцмана;

=293 К – стандартная температура приёмника.

Если конструкция антенны не задана, то для внешней антенны радиовещательных приёмников принимаем = 5,0 м, = 80 Ом для ДВ и СВ диапазонов и 400 Ом для КВ диапазонов.

Для штыревой антенны принимаем равным 80 Ом, а ее действующую высоту определяем по формуле: , где - геометрическая длина антенны. Для магнитной антенны принимаем = 20 Ом.

Значе­ния определяют в зависимости от вида и параметров модуляции сигнала и минимально допустимого отношения сигнал/помеха на выходе при­емника .

Если реальная чувствительность задана напряженностью поля сигнала возле приёмной антенны, коэффициент шума приемника не должен пре­вышать значения:

, (1.2.2)

где - реальная чувствительность, заданная величиной напряженности сигнала.

Очень часто реальную чувствительность задают без учета напряженности поля внешних помех. В таких случаях полагают = 0.

При большом уровне внешних помех второе слагаемое может оказаться больше, чем первое. В таком случае невоз­можно обеспечить требуемую реальную чувствительность при вы­бранной полосе пропускания линейного тракта и необходимо умень­шать, если возможно, полосу пропускания, повышая требования к стабильности частоты гетеродинов или применяя АПЧ гетеро­дина.

В диапазонах метровых (УКВ) и более коротких волн структура внешних помех близка к шумовым; на выходе линейного тракта узкополосных приёмников более длинных волн спектры внешних помех и собственных шумов сходны. Для достижения требуемой реальной чувствительности, коэффициент шума приемника не должен пре­вышать значения:

, (1.2.3)

где – коэффициент передачи мощности фидерной линией (вол­новодом), соединяющей антенну с входом приемника (коэффициент полезного действия);

– относительная шумовая температура антенны ( – показывает во сколько раз реальная антенна шумит больше, чем антенна без учета внешних шумов).

Шумовая температура определяется выражением

, (1.2.4)

где – коэффициент полезного действия антенны;

– термодинамическая температура (антенны, фидера);

– антенная температура, определяемая внешними источниками помех (атмосферы, ионосферы, космоса, Земли и др. источников).

Коэффициент полезного действия фидера определяется типом и длиной фидера:

, (1.2.5)

где – общее затухание сигнала в антенно-фидерном тракте, дБ:

, (1.2.6)

где – длина фидера, м; – погонное затухание фидера, дБ/м.

Погонное затухание волновода и кабеля зависит от вида волновода и марки кабеля.

Если фидеры состоят из ряда отрезков, то необходимо учитывать, что каждое сочленение в фидере вносит добавочное затухание: фланцевое соединение в волноводе вносит зату­хание 0,02...0,045 дБ, вращающееся соединение – 0,04...0,08 дБ, разъемное соединение коаксиального кабеля – 0,005...0,01 дБ. Значения и определяют так же, как и для диапазонов ДВ, СВ и КВ.

Для приемников, работающих на частотах более 1 ГГц, влия­нием внешних помех обычно можно пренебречь и, следовательно, принять .

Таким образом, для обеспечения заданной чувствительности необходимо задать достаточно малый коэффициент шума приёмника. Для уменьшения коэффициента шума приёмника необходимо увеличивать коэффициент передачи мощности фидера, уменьшив длину фидера и величину затухания, а также выбирать первые каскады приёмника с малым коэффициентом шума и большим коэффициентом усиления по мощности.

Как правило, максимальным рабочим частотам соответствуют меньшие значения коэффициента усиления по мощности и большие значения минимально достижимого коэффициента шума. Меньшее значение коэффициента шума имеют каскады УРЧ по сравнению с каскадами ПЧ. Однако, введение и увеличение числа каскадов УРЧ заметно усложняет схему приёмника, особенно на частотах свыше 0,4 ГГц. Поэтому первые каскады приёмника необходимо выбирать из следующих соображений:

1. Если уровень внешних помех в антенне значительно больше приведенного к антенне уровня собственных шумов приёмника (определяется отношением мощности шумов, создаваемых на выходе линейной части приёмника эквивалентом антенны при комнатной температуре и линейной частью к мощности шумов, создаваемых только эквивалентом антенны), получаемого даже при отсутствии УРЧ, то бесполезно снижать коэффициент шума приёмника путем введения УРЧ. Такая ситуация может сложиться при приёме сигналов на частотах ниже 30 МГц. Поэтому, если окажется, что

, (1.2.7)

то УРЧ можно исключить и первым каскадом приёмника должен быть преобразователь частоты.

2. Если неравенство (1.2.7) не выполняется, то необходимо определить допустимый коэффициент шума .

Если необходимо принимать сигналы на частотах , то необходимо выбрать преобразователь частоты на транзисторе с минимально достижимым коэффициентом шума и определить коэффициент шума тракта ПЧ согласно таблице 1.2.1.

Если , то в качестве первого каскада можно использовать преобразователь частоты.

Если , то необходимо добавить однокаскадный УРЧ на транзисторе с общим эмиттером, который обладает малым коэффициентом шума и большим отношением , определить для него коэффициент шума и коэффициент передачи по мощности . Далее определить общий коэффициент шума для каскадов УРЧ и ПЧ .

Если , то следует использовать двухкаскадный УРЧ на том же транзисторе и определить коэффициент шума двух каскадов УРЧ и каскада ПЧ , где , , , - коэффициенты шума и передачи мощности 1-го и 2-го каскада УРЧ. Применение более двух каскадов УРЧ нежелательно из-за сильного усложнения схемы приёмника.

3. При приёме сигналов на частотах свыше 1 ГГц внешними помехами можно пренебречь. В этом случае в качестве первого каскада можно выбрать ПЧ на полупроводниковом смесительном диоде. Надо учесть, что ПЧ со смесительным диодом имеет , следовательно, шумы каскада УПЧ будут сильно влиять на коэффициент шума приёмника. Поэтому в первом каскаде УПЧ рекомендуется использовать транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, который обладает малым коэффициентом шума и большим отношением , далее определить общий коэффициент шума .

Если , то использовать ПЧ на смесительном диоде в качестве первого каскада можно.

4. Если , то в приёмнике необходимо иметь УРЧ. В качестве УРЧ можно использовать один каскад на туннельном диоде и далее выбрать ПЧ со смесителем на полупроводниковом диоде, но если получится, что , то следует использовать ПЧ на туннельном диоде.

5. Если и , то в качестве однокаскадного УРЧ можно использовать параметрические (с охлаждением/без охлаждения) или парамагнитные усилители (при этом схема приёмника сильно усложняется).

Преобразователь частоты необходимо выбирать со смесителем на полупроводниковом диоде, но, если . В обратном случае необходимо использовать параметрический ПЧ.

6. При приёме сигналов на частотах 0,4 – 1 ГГц в качестве первого каскада можно использовать ПЧ на туннельном диоде, если . В обратном случае рекомендуется использовать однокаскадный УРЧ и ПЧ на туннельном диоде.

В рассмотренных случаях 4-6 при очень высоких требованиях к чувствительности можно применять два и более каскадов УРЧ, но при этом схема приёмника сильно усложняется.

При малом отношении промежуточной частоты к принимаемой частоте сигнала можно использовать ПЧ с двухтактными смесителями, коэффициент шума которых снижается за счет ослабления шумов гетеродина.

Таблица 1.2.1.

Вид каскада	Частота, ГГц	Минимально достижимый коэффициент шума	Максимально достижимый коэффициент передачи по мощности
Усилительный на транзисторе с ОЭ
Усилительный на транзисторе с ОБ
Усилительный на транзисторах по каскодной схеме
Усилительный на туннельном диоде регенеративный	0.3 - 10	4 - 10	30 - 100
Усилительный параметрический регенеративный с полупроводниковым диодом без охлаждения	1 - 30	1.15 – 1.5	30 – 300
Усилительный параметрический регенеративный с полупроводниковым диодом, охлаждаемый жидким азотом	1 - 30	1.08 – 1.3	30 - 300
Усилительный парамагнитный, охлаждаемый жидким гелием	1 - 50	1.02 – 1.05	50 – 1000
Преобразовательный на транзисторе с ОЭ
Преобразовательный на транзисторе с ОБ
Преобразовательный на туннельном диоде	0.3 - 10	5 - 12	10 – 30
Преобразовательный на полупроводниковом диоде	1 - 40		0.1 – 0.2
Одноконтурная входная цепь	-

Примечание: - шумовое отношение полупроводникового диодного смесителя;

- проводимость прямой передачи транзистора;

- проводимость обратной связи транзистора;

- выходная проводимость транзистора;

, - выбранное и оптимальное значение коэффициента связи между антенной и входной цепью приёмника.

В преобразователях Y-параметры берутся для промежуточной частоты.

Определение минимально допустимого отношения сигнал/помеха на входе приёмника.

Значение определяют в зависимости от вида и параметров модуляции сигнала и минимально допустимого отношения сигнал/помеха на выходе приёмника .

1. Приёмники непрерывных двухполосных сигналов с АМ.

Минимально необходимое значение отношения сигнал/помеха на входе приёмника:

, (1.2.8)

где - заданное отношение сигнал/помеха на выходе приёмника;

k_n – отношение максимального значения напряжения сигнала к среднему (пик-фактор);

- максимальный коэффициент модуляции сигнала;

- полоса пропускания усилителя низкой (звуковой) частоты;

- шумовая полоса пропускания линейного тракта.

Для телефонных сигналов можно принимать k_n = 3. Формула (1.2.8) получена для случая приёма сигналов с . При приёме слабых сигналов медленно растет. Если значение не задано, для приёма радиотелефонных сигналов можно принять =3…10.

2.Приёмника непрерывных сигналов с ЧМ.

Минимально необходимое значение отношения сигнал/помеха на входе приёмника:

, (1.2.9)

где - максимальное значения индекса модуляции.

Выражение действительно при дБ. В противном случае отношение сигнал/шум на выходе падает из-за взаимодействия сигнала и шума в ограничителе. Если значение не задано, для приёма радиотелефонных сигналов можно принять =3…10.

3. Приёмники непрерывных однополосных сигналов с АМ.

Минимально необходимое значение отношения сигнал/помеха на входе приёмника:

, (1.2.10)

При радиотелефонной связи можно принимать =2…3.

4. Приёмники непрерывных сигналов с ФМ

Минимально необходимое значение отношения сигнал/помеха на входе приёмника:

, (1.2.11)

где -индекс фазовой модуляции.

При радиотелефонной связи =2…4.

5. Приёмники дискретных сигналов с АМ.

5.1. Тракт приёма на слух

Минимально необходимое значение отношения сигнал/помеха на входе приёмника:

, (1.2.12)

Если значение не задано, можно принимать =0.7…2.

5.1. Тракт регистрирующего приёма.

Минимально необходимое значение отношения сигнал/помеха на входе приёмника:

, (1.2.13)

где - полоса пропускания тракта после амплитудного детектора;

- длительность элементарной посылки.

При использовании метода укороченного контакта .

Если значение не задано, принимают для пишущего приёма =2…5, для буквопечатающего приёма =3…10.

6. Приёмники дискретных сигналов с ЧМ.

Минимально необходимое значение отношения сигнал/помеха на входе приёмника:

, (1.2.14)

где a=3…5 в случае обработки принятых сигналов методом укороченного контакта; a=1 при обработке интегральным методом.

Минимально допустимое значение отношения сигнал/помеха на выходе тракта для приёма частотно манипулированных сигналов при некогерентном детекторе:

, (1.2.15)

где - заданная вероятность ошибки приёма.

Для приёма сигналов с = 10^-2 требуется =3; с = 10^-3 - =3.74; с = 10^-4 - =4.35.

7. Приёмники дискретных сигналов с ФМ.

Минимально допустимое значение отношения сигнал/помеха на выходе приёмника можно определить в зависимости от заданной вероятности ошибки приёма элементарной посылки по графику на рис. 1.2.1, где кривая ОФМ_кг (относительная фазовая манипуляция) относится к приёмнику с когерентным детектором, кривая ОФМ_ак – к автокорреляционному приёмнику.

Рис. 1.2.1. График зависимостей вероятности от .

8. Приёмники многоканальных сигналов с частотным уплотнением.

Минимально необходимое значение отношения сигнал/помеха на входе приёмника:

, (1.2.15)

где с – коэффициент, зависящий от видов модуляции (табл. 1.2.2).

При разработке структурной схемы приёмника можно принять значение равным числу каналов.

Таблица 1.2.2

Вид модуляции сигнала	Коэффициент с
ОБП-ОБП	1
АМ-ОБП
ФМ-ОБП
ЧМ-ОБП
АМ-АМ
ФМ-АМ
ЧМ-АМ
ОБП-АМ
ОБП-ЧМ
АМ-ЧМ
ФМ-ЧМ
ЧМ-ЧМ

Примечание:

и - коэффициенты частотной и фазовой модуляции поднесущей k-го канала;

- максимальное отклонение частоты несущей;

- поднесущая k-го канала.

9. Радиовещательные приёмники.

Минимально необходимое значение отношения сигнал/помеха на входе радиовещательного приёмника рассчитывается в зависимости от вида модуляции принимаемого сигнала.

Для непрерывного АМ сигнала минимально необходимое значение отношения сигнал/помеха на входе радиовещательного приёмника рассчитывается согласно выражению (1.2.8), принимая m=0.3; 20 дБ (10 раз).

Для непрерывного ЧМ сигнала минимально необходимое значение отношения сигнал/помеха на входе радиовещательного приёмника рассчитывается согласно выражению (1.2.9), принимая девиацию частоты 15 кГц; 26 дБ (20 раз).

Для обеспечения нормальной работы частотного детектора необходимо иметь: 10÷16 дБ.

Для радиовещательных приёмников можно принимать k_n = .

10. Радиолокационные приёмники.

Минимально необходимое значение отношения сигнал/помеха на входе приёмника:

, (1.2.16)

Для приёмников радиолокационной станции можно принять =1…3.