Романюк_Приемопередающие_устройства
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
В.А. Романюк
Приемопередающие устройства
Учебное пособие
Утверждено редакционно-издательским советом университета
Москва 2013
УДК 621.396.6(075.8)
Р69
Рецензенты: канд. техн. наук Д.С. Очков;
канд. техн. наук, доц. Е.М. Добычина
Романюк В.А.
Р69 Приемопередающие устройства: учеб. пособие. - М.: МИЭТ, 2013. - 128 с.: ил.
ISBN 978-5-7256-0722-2
Изложены основные сведения о принципах построения, механизмах работы элемен-
тов радиопередатчиков и радиоприемников. Приведены технические требования, предъ-
являемые к приемопередающим устройствам, их структурные схемы. Рассмотрены физи-
ческие процессы, протекающие в приемниках и передатчиках. Значительное внимание уделено линейным и нелинейным устройствам и их особенностям, показана работа нели-
нейных элементов в режимах малых и больших амплитуд колебаний. Описана работа пас-
сивных и активных компонентов приемопередающих устройств - резонаторов, диодов,
транзисторов. Рассмотрены источники шумов в приемопередающих устройствах и их элементах. Приведены сведения о механизмах и режимах работы усилителей мощности на биполярных и полевых транзисторах. Даны основные сведения об источниках электро-
магнитных колебаний - автогенераторах и синтезаторах частоты. Подробно рассмотрены преобразователи частоты, показаны принципы построения смесителей частот на диодах и транзисторах.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Ра-
диотехнические системы», а также будет полезно при подготовке к семинарским заняти-
ям, лабораторным работам и экзаменам по дисциплине «Приемопередающие устройства».
ISBN 978-5-7256-0722-2 |
© МИЭТ, 2013 |
2
Учебное пособие
Романюк Виталий Александрович
Приемопередающие устройства
Редактор А.В. Тихонова. Технический редактор Е.Н. Романова. Корректор Л.Г. Лосякова.
Подписано в печать с оригинал-макета 30.08.2013. Формат 60 84 1/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 7,42.
Уч.-изд. л. 6,4. Тираж 200 экз. Заказ 43.
Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.
124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ.
3
Введение
Передатчики и приемники - это составные части радиотехнических систем, в которых информация передается посредством радиоволн. Блок-схема одного из вариантов радио-
системы, а именно связной радиостанции, приведена на рис.В1.
Рис.В1. Блок-схема радиостанции
Информация преобразуется в материальную форму - видеосигнал, который имеет низкочастотный спектр: речь ~ 3 - 3,5 кГц, музыка 20 - 20000 Гц, телевизионное изобра-
жение (в России) 0 - 6 МГц и т.д.
Непосредственно излучать видеосигнал в пространство бесполезно, поскольку антен-
ны работают эффективно только в том случае, когда их геометрические размеры соизме-
римы с длиной волны колебаний излучаемых частот λ или больше длины волны. Для того чтобы антенна излучала направлено, требуется еще больше увеличивать ее размеры. Если учесть, что наименьшая длина волны колебаний звуковых частот составляет
λ = |
с |
|
3 108 |
= 10 |
5 |
м, т.е. 100 км, ясно, что антенны с такими размерами немыслимы. |
f max |
3 104 |
|
||||
|
|
|
|
|
С целью эффективного излучения спектр видеосигнала передвигают вверх по оси час-
тот, образуя радиосигнал. Эффективно излучаются радиосигналы, средняя частота кото-
рых составляет десятки и сотни мегагерц, единицы, десятки и сотни гигагерц.
Радиосигнал образуется из видеосигнала следующим образом. В передатчике имеется высокостабильный высокочастотный генератор, называемый генератором несущей частоты, а также модулятор, в котором под действием видеосигнала измен я-
ется один из параметров высокочастотных колебаний - амплитуда, частота или фаза.
Кроме того, для достижения требуемой дальности радиосистемы нужно усили ть мощность радиосигнала, поступающего в передающую антенну. Таким образом, о с-
новное назначение передатчика следующее:
генерация высокочастотных электромагнитных колебаний;
модуляция колебаний передаваемым сообщением, т.е. преобразование видеосигнала
врадиосигнал;
усиление мощности радиосигнала.
4
Помимо генератора и модулятора, в передатчике имеются устройства обработки видеосигнала, каскады усиления мощности колебаний, могут быть умножители и д е-
лители частоты, сумматоры и делители мощности, вентили и другие устройства. Ино-
гда удобно модулировать не несущую частоту, а более низкую - промежуточную. В
этом случае в передатчике включают повышающий преобразователь ( up-converter),
перемещая спектр на излучаемую частоту.
При проектировании передатчиков используются следующие параметры.
1. Диапазон рабочих частот fmin - fmax.
2. Долговременная относительная нестабильность частот |
f max , где ∆fmax - макси- |
|
f0 |
мальное отклонение рабочей частоты от номинального значения под действием дестаби-
лизирующих факторов.
3. Выходная мощность передатчика Pпер.
4. Промышленный КПД η = Pпер , где P0 - мощность, потребляемая передатчиком от
P0
источников питания. |
|
|
|
|
|
|
|
|
5. Коэффициент |
внеполосных |
излучений |
K |
= |
10lg |
Pвн , |
дБ, |
где |
|
|
|
|
|
|
Pпер |
|
|
Рвн - излучение передающей антенны вне рабочей полосы.
Кроме того, нужно задать вид модуляции и параметры модулирующих видеосигналов.
В приемник радиосигнал поступает с существенно ослабленной мощностью. Помимо слабого полезного радиосигнала, в приемной антенне имеются помехи, наведенные извне,
либо собственные. Для того чтобы надежно принять сигнал, необходимо обеспечить неко-
торое минимальное отношение мощности сигнала к мощности шума (так называемое от-
ношение сигнал/шум). Основное назначение приемника - выделить сигнал из помех, а по-
лезную информацию - из сигнала.
Главными параметрами приемников являются следующие.
1. Диапазон рабочих частот f |
- |
f . |
min |
|
max |
2.Коэффициент шума N, который определяет отношение сигнал/шум в приемнике.
3.Чувствительность - способность принимать слабые сигналы. Количественно чувст-
вительность определяется минимальной мощностью Pmin или минимальной амплитудой напряжения на входе приемника (или минимальной напряженностью E в антенне), при ко-
торых на выходе приемника отношение мощности сигнала к мощности шума достаточно для извлечения информации из принимаемого сигнала.
5
4. Избирательность - способность приемника выделять полезный сигнал из других сигналов, наведенных в приемной антенне. Количественно избирательность оценивается выраженным в децибелах отношением мощности колебаний, принятых на частоте, от-
строенной от частоты сигнала fc на некоторое значение ∆f, к мощности, принятой на час-
тоте сигнала:
d = 10lg P( f ) [дБ]
Pc
при одной и той же амплитуде колебаний на выходе приемника.
Если частота побочного сигнала известна, то избирательность приемника можно оце-
нить отношением чувствительности к побочному каналу к чувствительности к основному каналу:
d 20lg Uпоб [дБ],
Uc
где Uпоб - минимальная амплитуда (чувствительность) побочного канала; U c - минималь-
ная амплитуда радиосигнала.
5. Динамический диапазон
D = 10lg Pmax [дБ],
Pmin
где Pmax, Pmin - максимальная и минимальная мощность на входе приемника.
В радиоприемнике, кроме усилителей, определяющих чувствительность, фильтров,
обеспечивающих избирательность, имеются и другие устройства. Прежде всего это пони-
жающие преобразователи частоты (down converter), гетеродины, демодуляторы, декодеры и др.
6
1. Функциональные схемы
передатчиков и приемников
1.1.Схемы радиопередатчиков
Впередатчике происходят следующие основные процессы: генерирование колебаний высокой частоты (ее называют несущей, поскольку она несет информацию), формирование радиосигналов и увеличение их мощности [1]. Обобщенная блок-схема передатчика пред-
ставлена на рис.1.1.
Вход |
Блок генерирования |
|
|
|
|
|
Усилитель |
|
|||
и формирования |
|
|
|||
|
|
|
мощности |
|
|
видеосигналов |
радиосигналов |
|
|
||
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.1.1. Блок-схема радиопередатчика
Поскольку к генератору высокой или сверхвысокой частоты применяют требование вы-
сокой частотной стабильности, в состав устройства генерирования должен входить опорный высокостабильный (например, кварцевый) генератор. Наиболее стабильными являются квар-
цевые генераторы, частота которых находится в диапазоне 2 - 10 МГц, худшую стабильность имеют кварцевые генераторы до частот в сотни мегагерц.
Генерировать высокостабильные высокочастотные колебания возможно, по крайней мере, двумя способами:
умножать частоту кварцевых генераторов;
применять синтезаторы частот на базе генераторов, управляемых напряжением
(ГУН), охваченных петлей фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), стаби-
лизированных кварцевыми генераторами (рис.1.2).
Формировать радиосигналы, т.е. модулировать колебания несущей частоты, возможно либо на малом уровне мощности там же, где и генерируется высокая частота, либо при высо-
ких мощностях на выходе передатчика. В некоторых случаях радиосигналы формируют на пониженной (промежуточной) частоте, а затем происходит перенос спектра сигнала на несу-
щую частоту в повышающем преобразователе частот (рис.1.3).
7
Рис.1.2. Функциональные схемы устройств генерирования колебаний несущей частоты: а - схема с умножением частоты; б - ГУН с ФАПЧ
Рис.1.3. Блок-схема передатчика с повышающим преобразователем частоты
Для увеличения выходной мощности применяют каскадное соединение усилительных
каскадов и устройства суммирования, как правило, мостовые сумматоры-делители
(рис.1.4).
Рис.1.4. Схемы увеличения выходной мощности в передатчиках: а - каскадное соединение усилителей; б - суммирование мощностей мостовыми устройствами
8
В схеме на рис.1.4,а выходная мощность равна мощности выходного каскада, а в схе-
ме на рис.1.4,б она почти в n раз больше, где n - число выходных каскадов. В современных передатчиках вместо выходных сумматоров часто применяют излучатели. В результате суммирование мощностей осуществляется в пространстве. Если последовательно с усили-
телями включить управляемые фазовращатели, то появляется возможность сканирования,
т.е. перемещения луча (рис.1.5). Выходная часть передатчиков в этом случае называется активной фазированной антенной решеткой (АФАР).
Рис.1.5. Функциональная схема АФАР
1.2. Схемы радиоприемников
Существует несколько стандартных схем радиоприемников [2]. Простейшим вариан-
том является детекторный приемник (рис.1.6).
Рис.1.6. Функциональная схема детекторного приемника (ФНЧ - фильтр нижних частот, УНЧ - усилитель низкой частоты, ОУ - оконечное устройство)
В детекторном приемнике радиосигнал сразу поступает на детектор, где выделяется с помощью ФНЧ видеосигнал, усиливается и поступает на оконечное устройство. Продол-
жением детекторного является приемник прямого усиления (рис.1.7).
Рис.1.7. Радиоприемник прямого усиления
9
Отличие приемника прямого усиления от детекторного состоит в том, что здесь про-
исходит усиление входного радиосигнала и его фильтрация преселектором-фильтром, на-
строенным на несущую частоту.
Более совершенным является супергетеродинный приемник, где происходит преобра-
зование входной частоты в более низкую - промежуточную, на которой и осуществляется основное усиление и фильтрация (рис.1.8).
Рис.1.8. Функциональная схема супергетеродинного приемника (ППФ - полосно-пропускающий фильтр)
Несущая частота понижается в преобразователе частот, состоящем из смесителя и ге-
нератора приемника, называемого гетеродином. На промежуточной частоте можно осу-
ществить большее усиление и более качественную фильтрацию.
10