Беляев, лекции.Основные понятия)

fп = mfс − nfг .

2)Значение m всегда выбирается равным единице: m=1. Это естественно, т.к. уровень сигнала обычно мал, а уровень его гармоник ещё меньше. Таким образом, выбирая m>1, мы неоправданно снижаем уровень полезного сигнала.

3)Значение n иногда выбирается больше единицы. Исполь- зование гармоник гетеродина бывает выгодно, например, при работе на достаточно высоких частотах. В этом слу- чае рабочая частота гетеродина снижается, что облегчает получение устойчивой генерации, стабильности частоты и т.п. В дальнейшем будем рассматривать наиболее рас- пространённый случай:

fп = fс − fг .

При этом частота гетеродина может быть как больше, так и меньше частоты сигнала на величину fп. В обоих случаях процесс преобразования частоты происходит нормально. Однако в перестраиваемых по диапазону приёмниках часто- та гетеродина обычно выбирается больше частоты сигнала (такой вариант называется «верхней настройкой гетероди- на»), т.к. в этом случае относительное изменение частоты ге- теродина при перестройке приёмника меньше, чем при ис- пользовании «нижней настройки гетеродина», когда fг < fс .

4) В некоторых случаях (например, для вещательных при- ёмников) значение промежуточной частоты регламенти- ровано стандартом (в диапазонах ДВ, СВ и КВ промежу- точная частота равна 465 кГц, в диапазоне УКВ –

10,7 МГц).

По сравнению со схемой приёмника прямого усиления супергетеро- динная схема обладает как существенными достоинствами, так и опре- делёнными (специфическими для этого типа приёмников) недостатками.

Преимущества супергетеродинного приёмника

1)Благодаря понижению частоты сигнала облегчается создание тракта с большим коэффициентом усиления.

2)Благодаря постоянству промежуточной частоты становится воз- можным применение в УПЧ сложных избирательных систем,

обладающих «хорошей» формой частотной характеристики.

3)То обстоятельство, что усиление в БВЧ происходит на разных частотах (на fс в УРЧ и на fп в УПЧ), делает БВЧ более устойчи- вым, поскольку на каждой из частот требуется обеспечить меньшее усиление.

Недостатки супергетеродинного приёмника

1)Наличие паразитных (побочных) каналов приёма, т.е. таких значений частоты, на которых возможно прохождение мешаю- щего колебания на выход БВЧ приёмника. К паразитным кана- лам приёма относятся следующие.

а) Зеркальный канал или канал симметричной станции. Этот канал является основным паразитным каналом приёма. Его про- исхождение иллюстрируется рис. 1.7. В случае верхней на- стройки гетеродина (fг > fс) частота зеркального канала равна fзк = fг + fп = fс + 2fп. Ослабление действия помех, проникающих в

Рис. 1.7. К образованию зеркального канала приёма

тракт приёмника по зеркальному каналу, осуществляется изби- рательными цепями, входящими в состав ВЦ и УРЧ (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Ослабление помех по паразитным каналам

Увеличение избирательности по зеркальному каналу можно осуществить следующими путями:

∙сужением полосы пропускания ВЦ;

∙повышением избирательности ВЦ и УРЧ за счёт более крутых скатов АЧХ контуров;

∙если промежуточная частота не определена стандартом, то для ослаб- ления помехи по зеркальному каналу можно увеличивать fп .

Важно подчеркнуть, что избирательность по зер- кальному каналу обеспечивается резонансными цепями только до входа смесителя.

б) Канал прямого прохождения. Частота этого канала равна промежуточной частоте fп. Если в эфире действует мощная станция на частоте fп, то ее сигнал может пройти с заметным уровнем на вход преобразователя частоты, который в данном случае работает как усилитель. Далее этот сигнал, ничем не от- личаясь от полезного сигнала (его частота равна промежуточной частоте), усиливается в УПЧ и проходит на выход приёмника.

Пути проникновения помехи с частотой fп на вход ПЧ могут быть различные. Во-первых, такое прохождение может быть обусловлено недостаточной избирательностью ВЦ и УРЧ. Во- вторых, электромагнитное колебание с частотой fп может непо- средственно действовать на конструктивные элементы ПЧ и УПЧ, которые в данном случае играют роль «микроантенн».

Существуют следующие способы ослабления действия поме- хи по каналу прямого прохождения:

∙увеличение избирательности ВЦ и УРЧ (каскадов до ПЧ);

∙постановка специальных режекторных фильтров во входные цепи РПУ;

∙тщательная экранировка ПЧ и УПЧ.

Важно отметить, что основным средством борьбы с помехой по каналу прямого прохождения, так же как и с помехой по зеркальному каналу, является повышение избирательности каскадов до преобразователя частоты.

в) Комбинационные каналы приёма. Известно, что в выходной цепи смесителя действует множество комбинационных состав- ляющих, частоты которых определяются выражением

f = mfвх ± nfг .

Из-за неидеальности избирательности ВЦ и УРЧ на вход смеси- теля могут попасть мешающие колебания, частоты которых от- личны от частоты сигнала. Обозначим частоты этих мешающих колебаний через fпк. После преобразования частоты эти колеба- ния приобретут частоту fп, которая будет определяться выраже- нием:

fп = mfпк ± nfг .

В этом случае можно получить формулу для определения частот

мешающих колебаний, т.е. частот комбинационных каналов приёма*):

Повысить избирательность по комбинационным каналам приёма можно двумя способами:

∙улучшить избирательность ВЦ и УРЧ;

∙соответствующим выбором режима работы смесителя уменьшить уровень гармоник входного напряжения смесителя и напряжения ге- теродина.

2)Излучение колебаний гетеродина в эфир, что создаёт помехи другим радиоприёмным устройствам и нарушает скрытность ра- боты приёмника.

Мы рассмотрели основные свойства супергетеродинного приём- ника с промежуточной частотой fп = fс − fг . Теперь коротко рас-

смотрим особенности других типов приёмников с преобразованием частоты.

Инфрадин ( fп > fс )

В преобразователе частоты такого приёмника фильтром выделяет- ся колебание суммарной частоты: fп = fс + fг . Частота зеркального канала определяется условием fзк − fг = fп и равна fзк = fг + fп . По- скольку fзк >> fс , то для ослабления помехи по зеркальному каналу

*) Заметим, что данная формула является общей – она определяет частó ты не только комби- национных каналов, но вообще всех каналов приёма супергетеродинного приёмника, вклю- чая канал прямого прохождения (при m=1 и n=0), а также основной и зеркальный каналы

(при m=1 и n=1).

можно использовать широкополосный неперестраиваемый преселек- тор. Это позволяет применить в преселекторе более сложные частот- но-избирательные цепи с требуемой «хорошей» формой АЧХ. По- скольку в таком радиоприёмнике промежуточная частота высокая, то обычно дополнительно производят второе преобразование частоты на более низкую.

Гомодин ( fп = 0 )

Такой приёмник не имеет зеркального канала (его частота совпа- дает с частотой основного канала) и канала прямого прохождения. Комбинационные каналы приёма на частотах 2 fс , 3 fс ,… легко подав- ляются простым преселектором. Недостатками такого типа приёмни- ка является то, что после ПЧ сигнал должен усиливаться на нулевой частоте, где уровень шума усилительных приборов может быть больше, а также необходимость использования специальных схем демодуляторов.

1.3. Показатели качества радиоприёмных устройств

Качество РПУ характеризуется электрическими, конструктивными и экономическими показателями. К важнейшим электрическим пока-

зателям относятся:

∙чувствительность,

∙селективность (избирательность),

∙динамический диапазон,

∙помехоустойчивость.

При рассмотрении этих показателей мы будем пользоваться двумя определениями – качественным и количественным; качественные оп- ределения справедливы для любых РПУ, количественные определе- ния учитывают специфику приёмного устройства и бывают различ- ными.

Чувствительность

Качественное определение:

чувствительность – это способность РПУ при- нимать слабые сигналы, одновременно выделяя их из помех.

Количественной мерой чувствительности служит минимальная вели-

чина сигнала в антенне (напряжения или мощности), при которой со- держащаяся в сигнале полезная информация воспроизводится с тре- буемым качеством.

Существует две причины, которые ограничивают чувствитель- ность приёмников. В диапазоне ДВ, СВ и КВ (150 - 15000 кГц) – это внешние индустриальные и атмосферные помехи. В дециметро- вом и сантиметровом диапазонах – внешние и внутренние шумы (интенсивность спектра индустриальных и атмосферных помех на этих частотах мала). Если учитывается влияние только естествен- ных (не преднамеренных) шумовых помех, то говорят о шумовой чувствительности. В дальнейшем мы будем рассматривать имен- но такую чувствительность РПУ.

Приведем два примера количественного определения чувст- вительности.

Чувствительность РПУ амплитудно-модулированных сигналов – это такое значение ЭДС в антенне стандартно- модулированного сигнала с АМ, которое создаёт в приём- нике, настроенном на частоту сигнала, стандартную вы- ходную мощность при заданном отношении сигнал/шум. При этом глубина и частота модуляции равны соответст- венно 30% и 1000 Гц, выходная мощность 50 мВт, отно- шение сигнал-шум 20 дБ.

Чувствительность РПУ РЛС сантиметрового диапа-

зона волн – это номинальная мощность сигнала в антенне, при которой на выходе линейной части приёмника отно- шение сигнал-шум равно заданной величине, называемой коэффициентом шумозащищённости или коэффициентом различимости.

Примеры числовых данных о чувствительности приёмников различ- ного типа:

∙вещательные приёмники – 50-150 мкВ;

∙связные, навигационные приёмники – 1-10 мкВ;

∙приёмники РЛС – 10 -12 - 10-16 Вт;

∙приёмники космической связи – 10 -22 Вт*).

*) Приёмник, обладающий такой чувствительностью и антенной с площадью 10 м2, способен принимать сигналы от передатчика мощностью 1 Вт на расстоянии 100 млн. км. (Если бы человеческий глаз обладал такой чувствительностью, то он мог бы увидеть горящую спичку на расстоянии 100 000 км).

Селективность (избирательность)

Качественное определение:

селективность (или избирательность) – это способность РПУ выделить полезный сигнал из суммы мешающих сигналов и помех, сущест- вующих в месте расположения приёмника.

Различают следующие основные виды избирательности:

∙пространственная

определяются антенной

∙поляризационная

∙частотная

определяются приёмником

∙временная

Количественное определение:

селективность - это отношение ЭДС в антенне при рассогласовании по параметру к ЭДС в отсутствие рассогласования при условии, что на выходе приём- ника в обоих случаях развивается одинаковая мощ- ность.

В дальнейшем будет рассматриваться частотная селективность, которая в соответствии с этим определением вычисляется как

где ∆f – рассогласование по частоте.

Схема измерения частотной селективности показана на рис. 1.9. Гра- фик зависимости σ(∆f) (рис. 1.10) называется кривой селективности (кривой избирательности).

селективности

Рис. 1.10. Кривая селективности

Часто избирательность достаточно знать только при некоторых характерных значениях расстройки. Например,

∙ избирательность по зеркальному каналу

которая определяется формой АЧХ преселектора (совокупности ВЦ и УРЧ) (рис. 1.11);

σзк = K(( fс ))

K fзк

Рис. 1.11. Избирательность по зеркальному каналу

∙ избирательность по соседнему (смежному) каналу

где fс1 – частота настройки приёмника; fс2 – частота соседней (бли-

жайшей по частоте) радиостанции. Для вещательных радиостанций диапазонов ДВ, СВ и КВ, работающих с АМ сигналами, ∆f = 10 кГц; для радиостанций ЧМ вещания, работающих в диапазоне УКВ, ∆f = 250 кГц. Избирательность по соседнему каналу определяется формой АЧХ УПЧ. При этом АЧХ преселектора практически не влияет, поскольку его полоса пропускания значительно шире, чем полоса УПЧ (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Избирательность по соседнему каналу

Для блока приёмника, имеющего АЧХ в виде характеристики уз- кополосного одиночного колебательного контура, частотная избира- тельность определяется следующим образом:

При каскадном соединении блоков приёмника значения избиратель- ности перемножаются:

Динамический диапазон

Качественное определение:

Динамический диапазон – это диапазон зна- чений напряжения (или мощности) сигнала на входе приёмника, в котором обеспечива- ется требуемое качество приёма сигнала.

Нижняя граница динамического диапазона определяется шума- ми РПУ, а верхняя граница – нелинейными искажениями в приём- ном тракте, возникающими при воздействии сильного сигнала. Раз- личают мгновенный динамический диапазон и диапазон с учётом действия системы автоматической регулировки усиления. Величина динамического диапазона обычно выражается в децибелах.

Рассмотрим два количественных определения мгновенного ди- намического диапазона, которые широко применяются при проек- тировании современных радиоприёмных устройств.

Линейный динамический диапазон

Для определения линейного динамического диапазона постро- им в двойном логарифмическом масштабе амплитудную характери- стику БВЧ приёмника. Амплитудная характеристика (АХ) радио- частотного блока – это зависимость мощности 1-й гармоники вы- ходного колебания от мощности входного колебания. При построе- нии амплитудной характеристики в двойном логарифмическом масштабе мощность выражают в децибелах относительно стандарт- ного уровня 1 мВт:

PдБм = 10lg ( P /1 мВт) . (Например, мощности 1 мкВт соответствует -30 дБм).

Амплитудная характеристика идеального линейного нешумя- щего устройства в двойном логарифмическом масштабе изобража- ется прямой линией с угловым коэффициентом 1 (т.е. идущей под углом 45°), смещённой по вертикальной оси на величину коэффи-