1. Цель работы

Целью работы является изучение схем построения входных цепей супергетеродинных приемников, исследование их основных характеристик при работе с ненастроенными антеннами при различных видах связи антенны и входной цепи (ВЦ).

2. Краткие теоретические сведения

Современные устройства приема и обработки сигналов (УПОС) состоят из собственно радиоприемных устройств (РПрУ) и устройств обработки сигналов. Под радиоприемным устройством понимают часть приемного комплекса, содержащую тракты радиочастоты, промежуточной частоты и демодулятор. Остальную часть, в том числе декодеры, УНЧ и т.д., относят к устройствам обработки. Радиоприемным называется устройство, предназначенное для приема, преобразования и усиления сообщений, передаваемых с помощью электромагнитных волн.

В общем случае РПрУ состоит из приемной антенны, приемника и оконечного устройства.

В антенне (А) под действием электромагнитного поля возникают электрические колебания, которые подаются на вход приемника.

В приемнике происходит выделение нужного сигнала из множества других сигналов. Сигналом называется электрическое отображение сообщения, несущее полезную информацию. Это обычно напряжение или ток, один из параметров которого (амплитуда, частота, фаза и др.) изменяется в зависимости от характера сообщения.

Прием можно разбить на три этапа:

‒ усиление полезного сигнала;

‒ обработка принимаемого сигнала с целью уменьшения влияния помех;

‒ детектирование высокочастотного сигнала для выделения сообщения.

Однако это относительно, так как, например, первый и второй этапы могут выполняться одновременно одним функциональным узлом.

В приёмниках применяется либо прямое усиление сигналов до демодулятора, либо усиление с гетеродинным преобразованием частоты.

Супергетеродинные приёмники характеризуются высокими показателями качества, однако имеют более сложную схему. Входная цепь (ВЦ) и УРЧ осуществляют усиление и предварительную селекцию сигналов, что способствует уменьшению искажений в смесителе преобразователя частоты (ПЧ). В смесителе происходит преобразование модулированного колебания с частотой принимаемого сигнала в модулированное колебание промежуточной частоты (постоянной для данного приёмника) без изменения формы огибающей. Частота принимаемого сигнала определяется частотой гетеродина и промежуточной частотой (обычно f_с=f_г – f_п). Усилитель ПЧ выполняет основную селекцию принимаемого сигнала и усиливает его до уровня, достаточного для нормальной работы детектора. Постоянство настройки фильтра промежуточной частоты (ФПЧ) позволяет увеличить число резонансных контуров или использовать пьезокерамические, электромеханические фильтры сосредоточенной селекции (ФСС), фильтры на ПАВ и др. Таким образом, достигается высокая селективность по соседнему каналу приёма. Чувствительность супергетеродинных приёмников почти не зависит от частоты настройки, поскольку усиление сигнала осуществляется, в основном, в усилителе промежуточной частоты (УПЧ).

Структурная схема супергетеродинного приемника изображена на рис. 2.1.

Рис. 2.1

В приемной антенне возникает ЭДС Е_А с частотой сигнала f_с. Входная цепь и УРЧ содержат резонансные цепи, настроенные на частоту f_С. Усиленное напряжение сигнала U_C с выхода УРЧ поступает на преобразователь частоты (ПЧ). С выхода ПЧ сигнал поступает на усилитель промежуточной частоты (УПЧ), содержащий избирательную систему и собственно усилитель. Часть приемника до ПЧ называют преселектором. ПЧ состоит из смесителя (СМ) и гетеродина (Г). Г ‒ вспомогательный генератор, частота которого изменяется вместе с настройкой преселектора. СМ ‒ нелинейный шестиполюсник, который осуществляет перенос спектра частот из одной области в другую. ПЧ, изменяя частоту сигнала, не влияет на форму модулирующей функции, т.е. действует по отношению к принимаемому сигналу как линейная параметрическая цепь. Поэтому часть РПрУ до детектора называют линейной по отношению к принимаемому сообщению.

Супергетеродинный приемник имеет и недостаток ‒ наличие побочных каналов приема, основные из которых ‒ зеркальный и прямой.

Если на вход приемника поступит сигнал с частотой побочного канала, равной f_зк= f_с+2f_п, то после преобразования получим

f_зк – f_г= f_с+ 2f_п – f_г= f_г + f_п– f_г = f_п, т.е. частота зеркального канала преобразуется в частоту f_п и в УПЧ усиливается так же, как и частота сигнала. Из диаграммы, приведенной на рис. 2.2, видно, что зеркальный канал может быть подавлен только в преселекторе.

Рис. 2.2

Если частота соседнего канала равна f_ск = f_с – f, то после преобразования получим f_г – f_ск = f_г– (f_с- f) = f_п + f.

Соседний канал не попадает в полосу УПЧ, т.е. избирательность по соседнему каналу обеспечивается в УПЧ.

Прямой канал ‒ это частота, совпадающая с частотой настройки УПЧ ‒ f_пр.

Структура преселектора современного приемника определяется его назначением и предъявляемыми к нему техническими требованиями. Преселектор реализует реальную чувствительность приемника и избирательности по комбинационным каналам. К преселектору предъявляется также требование обеспечения необходимого динамического диапазона сигнала, подаваемого на вход преобразователя частоты, т. е. преселектор совместно с другими цепями и устройствами приемника должен реализовывать автоматическую регулировку усиления.

Необходимая чувствительность определяется внутренними шумами приемника. Избирательность по зеркальному и прямому каналам обеспечивается селективными элементами преселектора, включая фильтры-пробки. Важное значение имеет выбор промежуточной частоты супергетеродинного приемника. Так, в настоящее время даже в вещательных приемниках применяется преобразование вверх, когда величина промежуточной частоты выше значения частоты сигнала.

Основной проблемой при приеме АМ-сигналов является получение высокой избирательности и помехоустойчивости при значительной загрузке эфира. При этом преселектор (ВЦ и УРЧ) обеспечивает ослабление посторонних сигналов, достаточное для того, чтобы они не нарушали нормальной работы смесителя, т. е. не создавали побочных каналов приема и перекрестной модуляции. Высокие требования предъявляются к автоматической регулировке усиления (АРУ). Система АРУ должна предотвратить возможность перегрузки смесителя и совместно с другими каскадами приемника (усилителем промежуточной частоты) поддерживать неизменным уровень сигнала на выходе при изменяющихся условиях приема, включая замирания.

Дальнейшее совершенствование тракта приема АМ-сигналов связано с увеличением количества моточных изделий ‒ катушек индуктивности, необходимых для улучшения избирательности и помехоустойчивости приема. Существенной является проблема переключения большого количества катушек индуктивности в ВЦ и УРЧ. Перспективным направлением является переход к так называемой "широкополосной преселекции" (ШП). В этом случае широкополосный преселектор состоит из ВЦ в виде входного фильтра нижних частот и усилителя преселектора (УП). Фильтр нижних частот (ФНЧ) не перестраивается и пропускает все частоты диапазонов АМ, вплоть до коротковолнового, но подавляет более высокие частоты, на которых работают телевидение, УКВ-радиовещание и служебные радиостанции. Если установить ряд переключающихся полосовых фильтров, рассчитанных на пропускание полосы частот, соответствующей принимаемому диапазону, то схема будет более помехоустойчивая, но и более сложная. Усилитель преселектора в такой схеме обычно широкополосный и не содержит селективных элементов.

Для защиты от зеркального канала в приемниках с ШП выбирается высокая промежуточная частота (например, 24,975 КГц) с дальнейшим переходом на более низкую промежуточную частоту, т. е. используются схемы с двойным преобразованием частоты.

При ШП реальная чувствительность приемника, при прочих равных условиях, остается такой же, как при узкополосной селекции (УРЧ). При этом динамический диапазон приемника с ШП должен быть шире на величину подавления преселектора на частоте мешающего сигнала. Это означает, что для обеспечения равного качества динамический диапазон тракта высокой частоты приемника с ШП должен быть значительно шире тракта приемника с узкополосным преселектором.

Приемник с ШП не защищен от прохождения помехи по зеркальному каналу, если частота этой помехи находится в пределах полосы принимаемых частот, т.е. в полосе прозрачности преселектора. Поэтому обязательным условием для приемника с ШП следует считать использование инфрадинного приема, т.е. метода приема, при котором промежуточная частота располагается выше диапазона принимаемых частот. Использование инфрадинного приема позволяет вывести большое количество паразитных каналов за область прозрачности входного ФНЧ и, таким образом, обеспечить по ним высокую избирательность, даже превышающую избирательность обычного приемника с узкополосным преселектором.

Однако приемник с ШП остается незащищенным от комбинационных паразитных каналов приема, образующихся без участия гетеродина, за счет взаимодействия сильных приходящих сигналов. Для обеспечения защиты от этих паразитных каналов, кроме повышения линейности УП и смесителя, может быть использовано автоматическое регулирование усиления по помехе (АРУП). В отличие от обычной системы АРУ, когда усиление тракта изменяется в соответствии с изменением полезного сигнала, система АРУП управляет коэффициентом усиления высокочастотного тракта в зависимости от уровня поступающих мешающих напряжений или, в более простом случае, в зависимости от суммарного напряжения сигнала и помех на входе смесителя. Недостаток такого АРУ в том, что при слабом полезном сигнале прием может стать невозможным, хотя без АРУ прием был бы возможен с удовлетворительным качеством.

Структура узкополосного преселектора строится с учетом основных положений теории цепей и широкого применения сочетания двухконтурных и одноконтурных фильтров. В случае неперестраиваемых преселекторов применяют многоконтурные системы, а в случае перестраиваемых преселекторов количество контуров ограничено конструктивными сложностями и проблемами сопряжения перестроек по диапазону.

Таким образом, различают две основные структуры преселекторов ‒ узкополосные и широкополосные.