Беляев, лекции.Основные понятия)

1. Общие сведения о радиоприёмных устройствах. Структурные схемы и показатели качества радиоприёмников

1.1. Общие сведения о радиоприёме и радиоприёмных устройствах

Радиоприёмные устройства входят в состав любой радиотехни- ческой системы:

∙системы передачи информации (например, спутниковой системы связи);

∙системы радионавигации (например, ГЛОНАСС);

∙радиолокационных систем (например, систем противовоз- душной обороны);

∙систем радио- и телевизионного вещания.

При этом тип системы и её назначение в значительной мере влияют как на структуру приёмника, так и на его характеристики.

Существуют три основных способа формирования и передачи полезной информации.

Первый способ отличается активным формированием специ- альных сигналов – сообщений, которые содержат (несут, переносят) полезную информацию. Он характерен для систем связи, вещания, телевидения и т.п. Структуру подобных систем можно изобразить в виде схемы, показанной на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Система с активным формированием сигналов

В этой схеме физически существующая величина (температура, давление, звуковые колебания, изображение и т.п.) преобразуется в электрическое колебание (непрерывное или дискретное). Далее это полезное сообщение кодируется и осуществляет модуляцию друго- го электрического колебания по какому-либо одному (или несколь- ким) его параметрам. В дальнейшем будем называть это немодули-

рованное колебание переносчиком или несущим колебанием*), а

промодулированный полезным сообщением переносчик образует полезный сигнал. Электрический сигнал усиливается и излучается в окружающее пространство (либо поступает в кабельную сеть, ла- зерную линию и т.п.). Пройдя через соответствующий канал (ли- нию) связи, сигнал, искажённый средой связи, поступает на вход приёмного устройства.

Помимо искажённого полезного сигнала, на вход приёмника воздействуют так называемые помехи – это электрические колеба- ния, образующиеся вне приёмного устройства. К ним относятся, например, сигналы соседних станций, индустриальные помехи, ат- мосферные, естественные помехи и, наконец, организованные (или преднамеренные) помехи, специально создаваемые в условиях ра- диоэлектронной борьбы.

Помимо помех, возникающих вне приёмного устройства, в самó м приёмном устройстве существует ряд видов так называемых внутренних помех. К ним в первую очередь относятся шумы актив- ных усилительных элементов приёмника – транзисторов, электрон- ных ламп и т.п., а также пассивных цепей (резисторов, передающих линий, ответвителей, аттенюаторов и т.п.).

Второй способ формирования полезного сообщения можно пояснить с помощью следующего примера. Рассмотрим импульс- ную радиолокационную станцию. Передатчик станции посылает в направлении цели зондирующий импульс в виде электромагнитного колебания. Отразившись от цели, сильно ослабленный, этот сигнал поступает на вход приёмного устройства радиолокатора (рис.1.2.).

Очевидно, что в принятом сигна- ле заложена полезная информация о цели.

Остановимся на физике процессов распространения сигнала и способе взаимодействия колебания и движущегося объекта. В силу конечности скорости распространения электромагнитных колебаний в среде и пространственной

*) За таким колебанием исторически закрепилось название несущая (волна): говорят о часто- те несущей, амплитуде несущей и т.п.

удалённости РЛС и цели происходит запаздывание отражённого сигнала в приёмнике по отношению к моменту излучения зондирующего сигнала. Таким образом, величина времени запаздывания отражённого сигнала содержит информацию о дальности до цели. За счёт взаимодействия радиоволны с движущимся объектом возникает эффект Доплера, в силу которого частота отражённого сигнала изменяется на определенную величину, зависящую, как от относительной скорости сближения цели и локатора, так и от частоты излученного электромагнитного колебания. Следовательно, измеряя в радиоприёмном устройстве приращение частоты отраженного сигнала по сравнению с излучённым, можно оценить скорость движения цели. В приведённом примере полезное сообщение (дальность, скорость) кодировались естественным способом в переносчике, но переносчик мы создавали сами.

Третий способ – пассивный. Переносчик и заложенное в нём полезное сообщение возникают самопроизвольно, естественно и обу- словлены физикой процессов, происходящих в изучаемом объекте. С такими сигналами имеет дело радиоастрономия, для которой источ- никами сигналов являются различные космические тела, скопление межзвездного вещества в Галактике и т.п. Протекающие в этих обра- зованиях процессы, как правило, связаны с излучением потоков энергии в широком диапазоне частот. Принимая эти электромагнит- ные колебания и потоки частиц, можно изучать происходящие про- цессы не только на поверхности этих объектов, но и внутри.

После этого вступления определим назначение радиоприёмно- го устройства.

Назначение всякого радиоприёмного устройства состо- ит в извлечении полезной информации, заключённой в радиосигналах, приходящих в точку пространства, где расположено радиоприёмное устройство.

Приёмник, как правило, является частью радиотехнической системы. На входе его присутствует совокупность сигнала и помех.

Сигнал – материальный носитель информации.

Помеха – препятствующее правильному извлечению

информации возмущение.

Сигналы следует отличать от испытательных воздействий. Ис- пытательными воздействиями (или просто воздействиями) являются либо детерминированные колебания, либо случайные процессы с из- вестными статистическими характеристиками. К такого типа воздей- ствиям относятся синусоидальные колебания генераторов, видео- и радиоимпульсные колебания, амплитудно-модулированные и частот- но-модулированные сигналы и т.д. Их отличительной особенностью является полная известность. Сигналы же содержат интересующую нас информацию и поэтому полностью нам не известны. В силу этой причины мы считаем их случайными процессами, а испытательные воздействия детерминированы (они не переносят информации, а ис- пользуются только для испытания разрабатываемого устройства, ха- рактеристики которого нам до опыта точно не известны).

1.2. Типовые структурные схемы РПУ

Рассмотрим назначение и основные свойства отдельных блоков РПУ.

Антенна преобразует сигнал, существующий в месте приёма в виде электромагнитного поля, в сигнал в форме высокочастотной ЭДС.

Блок высокой частоты

а) усиливает полезный сигнал до рабочего напряжения демодуля- тора;

б) выделяет сигнал из смеси с помехами и другими мешающими колебаниями.

БВЧ выполняет додетекторную обработку сигнала. Основные свойства БВЧ:

1)это квазилинейное устройство: поскольку уровень входных воздействий (сигнала и помех) обычно мал, то они проходят через БВЧ, не взаимодействуя друг с другом;

2)структура БВЧ слабо зависит от вида принимаемого сигнала, в частности, от вида модуляции; важна только ширина спектра сигнала, т.к. она определяет требуемую полосу пропускания БВЧ;

3)БВЧ обладает очень большим усилением – порядка 80-120 дБ,

т.е. коэффициент усиления по напряжению БВЧ составляет 104 −106 раз (типичные значения входного напряжения Uвх = 1-

10 мкВ, а выходного – Uвых = 0,1-1 В).

Демодулятор выделяет полезную информацию, заключенную в высокочастотном сигнале. В случае аналогового демодулятора эта информация представлена в виде низкочастотного колебания. В от- личие от БВЧ структура демодулятора определяется видом модуля- ции принимаемого сигнала. Знакомым вам демодулятором является амплитудный детектор, применяемый для демодуляции амплитудно- модулированных сигналов. Существуют также другие виды демоду- ляторов – частотные, фазовые и различные импульсные демодулято- ры. Демодулятор – это принципиально нелинейное устройство.

Блок низкой частоты выполняет последетекторную обработку. Основное его назначение состоит в следующем:

а) окончательное выделение полезного сообщения из шумов и помех;

б) усиление напряжения полезного сообщения до уровня, необ- ходимого для нормальной работы оконечного устройства.

В простейшем случае эти функции выполняет усилитель звуковой частоты либо видеоусилитель. В нашем курсе мы специально рас- сматривать БНЧ не будем.

На схеме, приведённой на рис. 1.3 блок высокой частоты, демо- дулятор и блок низкой частоты образуют радиоприёмник. Таким об- разом, радиоприёмным устройством называется совокупность антен- ны и радиоприёмника.

Вернемся к блоку высокой частоты. Современные приёмники по- лучают название в зависимости от типа БВЧ. Существует два основ-

ных типа схем БВЧ:

∙прямого усиления сигналов;

∙усиления с гетеродинным преобразованием частоты и усилением на промежуточной частоте.

Рассмотрим структурную схему БВЧ прямого усиления. Приём- ник, содержащий такой БВЧ, называется приёмником прямого уси- ления. Характерный признак БВЧ прямого усиления заключается в том, что усиление и выделение сигнала (а это основная функция БВЧ) осуществляется непосредственно на частоте принимаемого сигнала. На рис. 1.4 изображена структурная схема БВЧ прямого усиления.

ВЦ УРЧ

Рис 1.4. Структурная схема БВЧ прямого усиления

Всостав БВЧ входят:

-входная цепь (ВЦ);

-усилитель радиочастоты (УРЧ).

Эти блоки выполняют следующие функции.

Входная цепь обеспечивает:

а) согласование антенно-фидерного тракта с УРЧ; б) предварительную частотную селекцию полезного сигнала.

Усилитель радиочастоты обеспечивает:

а) усиление колебаний; б) выделение полезного сигнала.

УРЧ состоит из одного или нескольких резонансных усилительных каскадов, настроенных на частоту принимаемого сигнала. Приёмники могут иметь либо фиксированную настройку, либо работать в опреде- ленном диапазоне частот. В диапазонных приёмниках избирательные фильтры входной цепи и УРЧ необходимо перестраивать согласованно.

Недостатки приёмников прямого усиления

1)Если приёмник работает в диапазоне частот, то сильно услож- няется настройка приёмника, особенно если он содержит большое число каскадов. В этом случае необходимо согласо- ванно (одинаковым образом) перестраивать большое число контуров, что технически трудно.

2)При перестройке приёмника по диапазону его показатели мо- гут значительно изменяться.

Поясним это на следующем простом примере. Пусть резонансная частота ко- лебательного контура, входящего в состав однокаскадного УРЧ, перестраива- ется путём изменения контурной ёмкости. Определим, как зависят коэффици- ент усиления и полоса пропускания от резонансной частоты.

Коэффициент усиления K0 = Y21 Rк = Y21 ρQк , где Y21 – крутизна транзисто-

ра, Rк – резонансное сопротивление колебательного контура, ρ и Qк – соответ- ственно характеристическое сопротивление и добротность контура. При пере- стройке контура с помощью ёмкости ρ = 2πf0 Lк прямо пропорционально ре- зонансной частоте f0. Следовательно, считая добротность контура постоянной, получим, что коэффициент усиления однокаскадного УРЧ прямо пропорцио- нален резонансной частоте. Для n-каскадного усилителя, состоящего из оди-

наковых каскадов, коэффициент усиления прямо пропорционален

Полоса пропускания Π = f0 / Qк прямо пропорциональна резонансной часто-

те. Следовательно, при перестройке контура изменяется избирательность УРЧ, т.е. его способность отфильтровывать помехи.

3)Если приёмник предназначен для работы на фиксированной частоте, и частота эта довольно высокая (диапазон метровых и более коротких длин волн), задача получения большого значе- ния коэффициента усиления и избирательности становится весьма и весьма трудной, поскольку с увеличением частоты крутизна транзистора падает, а входная проводимость возрас- тает.

4)Склонность к самовозбуждению (при больших коэффициентах усиления, повышенные требования к экранированию конст- рукции приёмника).

Приёмники прямого усиления применяются сравнительно редко, широкое применение они нашли только в качестве широкополос- ных измерительных приёмников, предназначенных для контроля электромагнитного излучения.

Наибольшее распространение в радиоприёмной технике полу-

чила схема БВЧ с преобразованием частоты (рис. 1.5). В этой схеме первоначальное сравнительно небольшое усиление сигнала осуществляется на частоте принимаемого сигнала в усилителе ра- диочастоты (УРЧ). Затем преобразователь частоты (ПЧ) переносит спектр сигнала на так называемую промежуточную частоту, ко- торая в большинстве случаев ниже частоты принимаемого сигнала.

Рис 1.5. Структурная схема БВЧ радиоприёмника с преобразованием частоты

Основное усиление сигнала обеспечивается усилителем промежу- точной частоты (УПЧ).

В диапазонных приёмниках входную цепь, УРЧ и ПЧ перестраи- вают таким образом, чтобы промежуточная частота при этом остава- лась неизменной.

Блоки, входящие в состав изображённой на рис. 1.5 схемы, вы- полняют следующие функции.

Входная цепь обеспечивает:

а) согласование антенно-фидерного тракта с УРЧ; б) предварительную частотную фильтрацию полезного сигнала от

помех по так называемым паразитным (побочным) каналам приёма.

Усилитель радиочастоты обеспечивает:

а) предварительное усиление сигнала на частоте несущей (радио- частоте), необходимое для повышения шумовой чувствитель- ности радиоприёмника;

б) (совместно с входной цепью) частотную фильтрацию полезно- го сигнала от помех по паразитным каналам приёма.

Преобразователь частоты выполняет перенос спектра принято-

го сигнала на фиксированную промежуточную частоту.

Усилитель промежуточной частоты обеспечивает:

а) основное усиление сигнала на промежуточной частоте; б) частотную фильтрацию полезного сигнала от помех по так на-

зываемым соседним каналам приёма.

Преобразователи частоты впервые были применены в 1913 г., они служили для преобразования в приёмных устройствах колебаний радиочастоты в ко- лебания звуковой частоты, пригодные для слухового приёма. Такие приём- ники назывались гетеродинными. Когда позже, в 1917-18 гг., дополнитель- но было введено предварительное преобразование радиочастоты в проме- жуточную частоту, приёмники стали называть супергетеродинными. В дальнейшем это название сохранилось для всех приёмников с преобразова- нием частоты в додетекторном усилительном тракте. Начиная с 1926-30 гг. супергетеродинные приёмники получают широкое распространение.

Основные сведения о преобразователе частоты

цепь, настроенная на промежуточную частоту. Преобразовательный элемент вместе с фильтром образует смеситель (См).

На смеситель действуют два колебания с частотами fс и fг. В ре- зультате их нелинейного взаимодействия в выходной цепи смесите- ля образуется множество колебаний с комбинационными частотами

f = mfс ± nfг .

Фильтр пропускает на выход ПЧ одно единственное колебание с вы- бранной нами промежуточной частотой.

Идеальный преобразовательный элемент должен выполнять операцию перемножения напряжения сигнала и напряжения гете- родина. Получим выражение для выходного колебания такого ПЧ. Напряжение сигнала в общем случае имеет некоторую амплитуд- ную и угловую модуляцию:

uс (t) = Uс (t) cos (ωсt + ϕс (t)) .

Начальную фазу колебания гетеродина считаем нулевой: uг (t) = Uг cos ωгt .

Тогда напряжение на выходе преобразовательного элемента, кото- рый мы считаем идеальным перемножителем, будет равно

Таким образом, на выходе ПЭ получаются два колебания, парамет- ры которых (амплитуда и фаза), изменяются так же, как и у сигнала. Выделяя одно из этих колебаний с помощью фильтра, получим сиг- нал промежуточной частоты:

uп (t) = KпUс (t) cos (wпt + jс (t)),

где Kп – коэффициент передачи ПЧ. У сигнала промежуточной час- тоты сохраняются законы амплитудной и угловой модуляции.

В зависимости от величины промежуточной частоты могут быть три разновидности радиоприёмников с преобразованием час- тоты:

Основной тип радиоприёмника с преобразованием частоты – супергетеродин, для которого fп < fс . Выбирая из множества комби- наций вида mfс ± nfг промежуточную частоту, следует руководство- ваться следующими соображениями.

1)Промежуточная частота должна быть достаточно низкой. Поэтому в качестве промежуточной частоты целесооб-

разно выбирать разностную комбинацию: