Глава 5. Основные свойства и характеристики радиоприемников -- рецепторов помех.

5.1. Характеристики и параметры радиоприемных устройств, влияющие на эмс рэс, и их нормирование

Идеальный с точки зрения ЭМС радиоприемник должен иметь только один основной канал приема – т.е. полосу частот, предназначенную для приема основного излучения нужного РЭС. Однако в реальных супергетеродинных приемниках наряду c основным каналом приема имеются также и нежелательные неосновные каналы приема, расположенные вне полосы частот основного канала приема. Поэтому мешающие сигналы могут поступать на выход приемника как через основной, так и через неосновные каналы приема. Это обстоятельство учитывается при решении проблем ЭМС.

Частотно-избирательные свойства приемника позволяют выделять полезный сигнал на фоне мешающих излучений. Частотная избирательность приемника характеризует его способность ослаблять МС, отличающиеся по спектру от ПС. При этом различают односигнальную и многосигнальную частотные избирательности приемника. При малых уровнях полезного и мешающего сигналов радиочастотный тракт приемника работает в линейном режиме и его избирательные свойства характеризует односигнальная избирательность, определяемая формой АЧХ высокочастотного тракта приемника (от входа приемной антенны до входа демодулятора ).

В идеальном случае АЧХ ВЧ тракта приемника должна иметь П-образную форму: все существенные компоненты энергетического спектра ПС должны передаваться с одинаковым коэффициентом передачи рассматриваемого тракта, а за условными пределами границ спектра ПС коэффициент передачи ВЧ тракта должен быть близок к нулю. Реально во многих профессиональных системах радиосвязи удается получить трапецевидную АЧХ ВЧ тракта с крутыми “скатами”, достаточно близкую к П-образной.

В реальных условиях на вход радиоприемника наряду с полезным могут поступать интенсивные мешающие радиосигналы, что может привести к появлению нелинейных эффектов в тракте приема. В этом случае необходимо рассматривать многосигнальную избирательность, которая характеризует способность приемника выделять слабый полезный сигнал на фоне суммы собственных шумов и сильных мешающих сигналов, находящихся за пределами полос пропускания основного и побочных каналов приема. Количественно многосигнальная избирательность определяется отношением уровней одновременно поступающих на вход сигналов на одной или нескольких заданных частотах и на частоте настройки приемника при заданном отношении суммарной мощности составляющей помехи к мощности полезного сигнала на его выходе.

При односигнальном воздействии оценивают параметры основного и побочных каналов приема, влияющие на ЭМС радиоприемника при его работе в линейном режиме. К параметрам основного канала приема относятся следующие: - чувствительность; - динамический диапазон; - частотная избирательность; - полоса пропускания; - коэффициент прямоугольности АЧХ тракта ВЧ; - частота настройки приемника; - нестабильность частоты гетеродина; - отношение сигнал/шум на выходе. К параметрам побочных каналов приема (на промежуточной, зеркальной, комбинационных частотах, на субгармониках) относятся восприимчивость к помехам, частота и чувствительность . Чувствительность радиоприемника характеризует его способность обеспечивать прием полезного сигнала на фоне собственных шумов при отсутствии помех и воспроизводить его на выходе с заданным качеством. Различают пороговую и реальную чувствительность радиоприемника.

Пороговая чувствительность приемника – это минимальный уровень сигнала на его входе Pпор при равных уровнях полезного сигнала и собственных шумов приемника на его выходе, т.е. при отношении сигнал/шум на выходе, равном 1: Q_вых = (Р_с/Р_ш )вых =1, или 0 дБ. За порог восприимчивости приемника к помеховым сигналам в основном канале приема также принимается уровень собственных шумов, т.е.пороговая чувствительность Р_пор Реальная чувствительность приемника – это минимальный уровень сигнала на его входе, при котором обеспечивается номинальная мощность полезного сигнала на его выходе и заданное превышение уровня мощности полезного сигнала над уровнем шумов Qвых min доп., т.е. на выходе приемника должно выполняться условие: Qвых = (Pc/Pш)вых > Qвых min доп. Реальная чувствительность приемника определяется выражением [Буга-Кантрвич]:

, (5.1)

где: k_Б = 1,38·10^-23, Дж/К – постоянная Больцмана; Т_о – абсолютная температура окружающей среды, К; Т_А – эффективная шумовая температура антенны, К; В_ш – ширина эффективной полосы шумов приемника, Гц; N_ш – коэффициент шума приемника; Q_вых – требуемое отношение сигнал/шум на выходе приемника.

В диапазоне частот 30…120 МГц при комнатной температуре (Т_о = 293 К) отношение Т_А/ Т_о = 1,8·10^-6/f ³, где f – в мегагерцах. На частотах f > 120 МГц отношение Т_А/ Т_о = 1 и формула (4) примет вид: , (5.2)

а пороговая чувствительность (порог восприимчивости) равна: . (5.3)

Динамический диапазон основного канала Dок – это отношение максимальной амплитуды сигнала Емакс(fо) на входе приемника, при которой нелинейные искажения Кни равны допустимому значению, к его минимальной амплитуде Емин(fо) при которой отношение сигнал/шум (Qвых) на выходе равно заданной величине. Этот параметр является мерой линейности основного канала приема в отсутствии радиопомех и характеризует допустимые пределы изменения амплитуды входного сигнала, в которых обеспечивается требуемое качество выходного сигнала.

Частотная избирательность – обеспечивает возможность выделения полезного сигнала на фоне помеховых сигналов благодаря различиям в их спектральных характеристиках. Величина ослабления сигнала в зависимости от расстройки частоты определяется формулой: , (5.4)

где К(fо) и К(Δf) - коэффициенты усиления линейной части высокочастотного тракта приемника на частоте настройки (fо) и при расстройке на частоту Δf соответственно. Упрощенный вид графика частотной избирательности приведен на рисунке 5.1.

Полоса пропускания приемника по основному каналу В3 ограничена двумя частотами (f1 и f2), на которых ослабление сигнала равно 3 дБ. Ширину полосы пропускания В3 выбирают равной необходимой ширине частот Вн с учетом допустимого отклонения частоты радиолинии ∆fрл в обе стороны от присвоенной частоты:

В3 = Вн + 2∆fрл = Вн + 2(∆fпр и ∆fпд ), (5.5)

где ∆fпр и ∆fпд – нестабильность настройки частоты приемника и передатчика, соответственно. Идеальная характеристика избирательности, в отличие от реальной, должна иметь П- образную (прямоугольную) форму. Представление о степени близости реальной характеристики избирательности к идеальной оценивается коэффициентом прямоугольности Кх, равным отношению ширины полосы частот Вх на уровне Х дБ, к ширине полосы пропускания В3 на уровне 3 дБ, т.е. Кх = Вх / ВПр. 3.

Рис. 5.1. Характеристика частотной избирательности приемника

В реальных приемниках коэффициент прямоугольности К₆₀ = 2…4. Недостаточная крутизна склонов характеристики избирательности приемника является причиной появления в основном канале помех от радиопередатчиков, работающих на частотах соседних каналов, смещенных на величину ±Df_ск относительно частоты основного канала f_о. Величина ослабления помех по соседним каналам нормируется. Например, для бытовых радиовещательных приемников нормы требуют, чтобы ослабление помехи по соседним каналам приема лежало бы в пределах 26…56 дБ в зависимости от класса радиоприемника. Наряду с основным каналом приема существуют неосновные каналы приема помеховых сигналов. Они приема подразделяются на побочные и внеполосные. К внеполосным относятся нежелательные каналы приема, номинальные частоты которых при фиксированной частоте настройки приемника могут иметь различные значения в зависимости от частоты мешающего сигнала. Частота внеполосного канала (опасного МС) при этом не совпадает с частотами основного или побочных каналов приема, а уровень в ряде случаев может достигать таких значений, при которых в приемнике возникают нелинейные эффекты блокирования, перекрестной модуляции и интермодуляции. Побочным каналом приема называется полоса частот, находящаяся за пределами основной полосы пропускания, в пределах которой МС может с недостаточно большим ослаблением проникать в тракт промежуточной частоты приемника и подвергаться демодуляции с созданием помехи на выходе приемника. Наличие таких каналов приема обусловлено недостаточной избирательностью радиотракта приемника и нелинейностью процесса преобразования частоты в смесителе, на выходе которого образуется колебания гармоник и комбинационных частот полезного сигнала, гетеродина и помех. При этом могут образовываться различные типы побочных каналов. Номинальные частоты побочных каналов имеют фиксированное значение для данного приемника при его фиксированной настройке на частоту сигнала fo и, следовательно, не зависят от частоты МС . Например, побочный канал на промежуточной частоте имеет среднюю частоту fпк = fпр, а побочный канал на зеркальной частоте имеет среднюю частоту fпк = fз = fг + fпр = 2fс + fпр . В соответствии с установленными нормами радиосигналы в побочных каналах приемника должны ослабляться на несколько десятков дБ. Так в приемниках магистральной радиосвязи 1, 2 и 3-го классов мешающие сигналы на зеркальной частоте должны ослабляться не менее, чем на 90, 70 и 60 дБ соответственно, а в бытовых радиоприемниках – не менее, чем на 40…70 дБ [ ].

Избирательность радиоприемника по комбинационным каналам приема на гармониках гетеродина и нелинейным побочным каналам приема ?? также нормируется.

Наиболее опасны помехи по побочным каналам, имеющим сравнительно небольшую расстройку относительно частоты полезного сигнала. К таким помехам относятся помехи по зеркальному и промежуточному каналам. Восприимчивость приемника к мешающим сигналам оценивается как для МС, воздействующих через антенну и фидерный тракт, так и для МС, проникающих по цепям питания, управления и т.д. При этом основное внимание при анализе ЭМС уделяется, как и прежде, межсистемным помехам, поступающим в рецептор помех от других РЭС через антенну.

Рис 5.2. Характеристика восприимчивости супергетеродинного радиоприемника к воздействию непреднамеренных помех по основному и побочным каналам приема: 1 – основной канал приема на частоте f_o = f_г – f_пр ; 2 – побочный канал приема на промежуточной частоте f_пр; 3 – побочный канал приема на зеркальной частоте f_г + f_пр ; 4 – побочные каналы приема на комбинационных частотах 2f_г ± f_пр ; 5 – побочные каналы приема на субгармониках частоты настройки приемника 0,5 f_o =0,5(f_г – f_пр) и зеркальной частоты 0,5(f_г + f_пр) ;

Восприимчивость является мерой способности радиоприемника реагировать на непреднамеренные помехи и зависит от его чувствительности и избирательности по основному и неосновным каналам приема. На рис 5.2 приведен типичный вид характеристики восприимчивости супергетеродинного радиоприемника к воздействию непреднамеренных помех по основному и побочным каналам приема:

По оси ординат отложены максимально допустимые значения мощности МС на входе рецептора Pмс доп. в зависимости от частоты МС. Как и следовало ожидать, наименьшее значение Pмс доп. оказывается при попадании МС в основную полосу пропускания приемника (кривая 1), а для всех побочных каналов (кривые 2-5) величина Pмс доп. оказывается существенно меньше. Различна и “ширина” различных опасных зон. Каждая зона тем уже, чем больше “порядок” комбинации частот (сумма коэффициентов перед комбинируемыми частотами), дающих в итоге f пр. Например, для побочного канала с fмс =2fг-fпр (кривая 4) компонента ПЧ образуется в нелинейном устройстве преобразователя частоты следующим образом: 2fг - f мс = 2fг - 2fг + fпр = fпр, т.е. имеет порядок 2+2+1=5; а для канала с fмс = fпр порядок равен 1.