Устройства приема и обработки сигналов.-2
.pdf
В.П. Пушкарев
УСТРОЙСТВА ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Учебное пособие
ТОМСК 2012
2
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Кафедра средств радиосвязи (СРС)
В.П. Пушкарев
УСТРОЙСТВА ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Учебное пособие
2012
3
Рецензент: доктор технических наук Титов А.А.
Корректор: Осипова Е.А.
Пушкарев В.П.
Устройства приема и обработки сигналов: Учебное пособие. Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2012. 201 с.
Пособие предназначено для студентов очного, вечернего, заочного форм обучения направления специальностей «Радиотехника», «Телекоммуникации», а также для студентов, обучающихся с использованием дистанционных образовательных технологий.
Пушкарев В.П., |
2012 |
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2012
|
4 |
|
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................... |
8 |
|
1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСТРОЙСТВ ПРИЕМА И |
|
|
ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ............................................................. |
9 |
|
1.1 |
Общие требования....................................................................... |
9 |
1.2 Основные показатели технических характеристик |
|
|
|
устройств приема и обработки сигналов ................................. |
9 |
1.3 |
Классификация устройств приема и обработки сигналов .... |
15 |
1.4 |
Частотные диапазоны. Радиосигналы. Помехи ..................... |
17 |
1.5 Чувствительность устройств приема и обработки сигналов... |
33 |
|
1.6 |
Избирательность устройств приема и обработки |
|
|
сигналов ..................................................................................... |
38 |
1.7 |
Стабильность технических характеристик |
|
|
устройств приема и обработки сигналов ............................... |
40 |
1.8 Электромагнитная совместимость и нелинейные эффекты, |
|
|
|
возникающие в линейном тракте |
|
|
радиоприемного устройства .................................................... |
41 |
2 СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ЛИНЕЙНОГО ТРАКТА |
|
|
УСТРОЙСТВ ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ............ |
47 |
|
2.1 |
Обобщенная структурная схема устройств приема и |
|
|
обработки сигналов .................................................................. |
47 |
2.2 |
Детекторные устройства приема и обработки сигналов....... |
48 |
2.3 |
Устройства приема и обработки сигналов |
|
|
прямого усиления ..................................................................... |
49 |
2.4 |
Сверхрегенеративные устройства приема |
|
|
и обработки сигналов ............................................................... |
50 |
2.5 |
Супергетеродинные устройства приема |
|
|
и обработки сигналов ............................................................... |
51 |
2.6 |
Устройства приема и обработки сигналов |
|
|
прямого преобразования .......................................................... |
55 |
2.7 |
Инфрадинные устройства приема и обработки сигналов..... |
57 |
3 ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ УСТРОЙСТВ ПРИЕМА |
|
|
И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ....................................................... |
58 |
|
3.1 |
Входные цепи устройств приема и обработки сигналов ...... |
58 |
5 |
|
3.1.1 Общие сведения и структура входной цепи ..................... |
58 |
3.1.2 Классификация, основные параметры и эквиваленты |
|
радиоприемных антенн ....................................................... |
59 |
3.1.3 Схемы входных цепей устройств приема и обработки |
|
сигналов................................................................................ |
64 |
3.1.4 Входные цепи с ненастроенной антенной ........................ |
70 |
3.1.5 Входная цепь с магнитной антенной................................. |
80 |
3.1.6 Входные цепи с настроенной антенной ............................ |
82 |
3.1.7 Входные цепи с электронной перестройкой |
|
по частоте ............................................................................. |
86 |
3.1.8 Шумовые свойства антенно-фидерной системы.............. |
90 |
3.2 Селективные усилители радиосигналов |
|
устройств приема и обработки сигналов ............................... |
97 |
3.2.1 Общие сведения и структура селективных |
|
усилителей радиосигналов ................................................. |
97 |
3.2.2 Усилители радиочастоты устройств приема |
|
и обработки сигналов........................................................ |
100 |
3.2.3 Усилители промежуточной частоты |
|
устройств приема и обработки сигналов ........................ |
103 |
3.2.4 Шумовые свойства селективных усилителей |
|
радиосигналов.................................................................... |
106 |
3.3 Преобразователи частоты устройств приема |
|
и обработки сигналов ............................................................. |
110 |
3.3.1 Общие сведения и теория преобразования..................... |
110 |
3.3.2 Шумовые свойства преобразователей частоты.............. |
115 |
3.3.3Особенности построения гетеродинов в преобразователях частоты диапазонных устройств приема и обработки
сигналов.............................................................................. |
116 |
3.4 Детекторы устройств приема и обработки |
|
сигналов ................................................................................... |
118 |
3.4.1 Общие сведения и структура детекторов |
|
радиосигналов.................................................................... |
118 |
3.4.2 Амплитудный детектор радиосигналов .......................... |
121 |
3.4.3 Детектор радиоимпульсных сигналов............................. |
123 |
3.4.4 Детектор частотно-модулированных сигналов.............. |
125 |
3.4.5 Фазовые детекторы радиосигналов ................................. |
128 |
|
6 |
|
4 АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛИРОВКИ В УСТРОЙСТВАХ |
|
|
ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ................................... |
131 |
|
4.1 |
Общие сведения о системах автоматических |
|
|
регулировок ............................................................................. |
131 |
4.2 |
Система автоматической регулировки усиления ................ |
132 |
4.3 |
Система автоматической подстройки частоты .................... |
137 |
4.4 |
Система фазовой автоподстройки частоты .......................... |
139 |
5 ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ УСТРОЙСТВ ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ..142
5.1 Общие сведения по построению схем устройств приема |
|
и обработки сигналов различного |
|
назначения ............................................................................... |
142 |
5.2 Особенности построения радиовещательных устройств |
|
приема и обработки сигналов................................................ |
148 |
5.2.1 Особенности построения устройств приема |
|
и обработки сигналов систем звукового вещания ......... |
149 |
5.2.2 Особенности построения устройств приема и обработки |
|
сигналов систем телевизионного вещания ..................... |
158 |
5.3 Особенности построения профессиональных устройств |
|
приема и обработки сигналов различного назначения....... |
166 |
5.3.1 Классы радиоизлучений.................................................... |
166 |
5.3.2 Структурные схемы линейного тракта профессиональных
устройств приема и обработки сигналов ........................ |
169 |
5.3.3 Особенности построения устройств приема |
|
и обработки сигналов систем радиосвязи....................... |
176 |
5.3.4 Особенности построения радиолокационных |
|
устройств приема и обработки сигналов ........................ |
181 |
5.3.5 Особенности построения панорамных устройств приема
и обработки сигналов........................................................ |
182 |
5.4 Особенности построения цифровых устройств приема и |
|
обработки сигналов ................................................................ |
187 |
5.4.1 Общие сведения построения цифровых устройств приема
и обработки сигналов........................................................ |
187 |
5.4.2 Особенности построения устройств приема и |
|
обработки сигналов сотовой системы связи .................. |
189 |
7 |
|
5.4.3 Особенности построения устройств приема и |
|
обработки сигналов пейджинговой системы связи ....... |
191 |
6 ТЕОРИЯ И ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ |
|
ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ ...... |
194 |
6.1 Стандартные условия измерения........................................... |
194 |
6.2 Методы измерения технических характеристик |
|
радиовещательного приемника ............................................. |
195 |
6.2.1 Метод измерения диапазона принимаемых частот ...... |
195 |
6.2.2 Метод измерения реальной чувствительности |
|
радиоприемного устройства............................................. |
196 |
6.2.3 Односигнальная методика измерения |
|
избирательности ................................................................ |
196 |
6.2.4 Метод измерения общей низкочастотной |
|
характеристики .................................................................. |
197 |
6.2.5 Метод измерения действия автоматической |
|
регулировки усиления....................................................... |
198 |
ЛИТЕРАТУРА ................................................................................. |
200 |
8
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие по дисциплине «Устройства приема и обработки сигналов» является одной из профилирующих дисциплин радиотехнической специальности. Основной задачей данного учебного пособия является ознакомление студентов радиотехнических специальностей с принципами построения современных устройств приема и обработки сигналов (УПОС) радиочастотного диапазона длин волн. Такими устройствами являются радиоприемные устройства, предназначенные для приема энергии электромагнитных волн и последующего преобразования их в электрические сигналы с целью выделения полезной информации.
Устройства приема и обработки сигналов нашли применение в радиотехнических системах: системах пассивной и активной радиолокации, навигации; в панорамных устройствах и системах исследования источников любого радиоизлучения; в системах радиосвязи, телевидения и радиовещания, в космической, сотовой и пейджинговой системах связи.
Современное радиоприемное устройство представляет собой сложную систему, характеризуемую большим числом взаимосвязанных параметров, поэтому на всех стадиях его проектирования целесообразно использовать системный подход. Он заключается в применении определенной последовательности проектирования и использовании методов синтеза и оптимизации, позволяющих получить оптимальную систему при определенных (заданных) критериях качества.
В учебном пособии представлены также основы теории радиоприема, обзор методов и способов обработки радиосигналов. Представлены концепции построения основ структурных и электрических принципиальных схем устройств приема и обработки сигналов.
9
1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСТРОЙСТВ ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
1.1 Общие требования
В общих требованиях к устройствам приема и обработки сигналов указываются назначение и место установки устройств приема и обработки сигналов, состав комплекта (антенна, приемник, оконечное устройство) и аппаратура, с которой должен работать приемник, но которая не входит в комплект.
1.2 Основные показатели технических характеристик устройств приема и обработки сигналов
Основными техническими характеристиками устройств приема и обработки сигналов являются:
диапазон частот;
чувствительность;
избирательность;
полоса пропускания;
амплитудная характеристика;
переходная характеристика;
динамический диапазон;
стабильность технических характеристик;
качество воспроизведения сигналов;
ручные и автоматические регулировки;
входная цепь;
выходная цепь;
источник питания.
Диапазон частот. Диапазон частот – интервал частот, в пределах которого радиоприемник при перестройке сохраняет свои основные параметры. Радиоприемное устройство может быть предназначено для работы на одной или нескольких фиксированных частотах или непрерывном (прерывном) диапазоне частот (fоmin ... fomax). Характеризуется коэффициентом перекрытия приемника, т.е. отношением (fomax / fоmin). Для диапазонных радио-
10
приемных устройств диапазон частот определяется числом поддиапазонов, запасом перекрытия по частоте между ними.
Чувствительность. Чувствительность – способность радиоприемника принимать слабые сигналы. Чувствительность приемника с небольшим коэффициентом усиления, на выходе которого шумы практически отсутствуют, определяется величиной э.д.с. (номинальной мощностью) сигнала в антенне (или эквиваленте), при которой обеспечивается заданное напряжение (мощность) сигнала на выходе приемника. Если чувствительность приемника ограничивается собственными шумами, ее можно оценить реальной или предельной чувствительностью, коэффициентом шума и шумовой температурой. Реальная чувствительность равна величине э.д.с. (номинальной мощности) сигнала в антенне, при которой напряжение (мощность) сигнала на выходе приемника превышает напряжение (мощность) помех в заданное число раз.
Предельная чувствительность определяется при условии, если мощность сигнала равна мощности помех на выходе линейной части радиоприемника. Предельная чувствительность также характеризуется и коэффициентом шума N, равного отношению мощности шумов, создаваемых на выходе линейной части приемника эквивалентом антенны (при комнатной температуре 290 К), к мощности шумов, создаваемых только эквивалентом антенны.
При приеме радиоимпульсных сигналов для оценки чувствительности радиоприемного устройства используется понятие тангенциальной чувствительности. Определение тангенциальной чувствительности производится при минимальной мощности сигнала на входе радиоприемного устройства, когда на его выходе, на экране осциллографа, наблюдается видеоимпульс (рис. 1.1), нижняя граница которого совпадает с верхней границей полоски шумов при отсутствии сигнала на входе радиоприемного устройства [1].
t
Рис. 1.1 К определению тангенциальной чувствительности приемника радиоимпульсных сигналов