книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

ффпцпент шума первого каскада в cooler етвии с (1.13)

Теперь определим уровень шума отдельных ! кадоз, прпведеино- го ко входу приемника.

Для первого каскада

Наконец, коэффициент шума приемника в целом с учетол» предыду­

Выражение (1.19) справедливо и тогда, когда коэффициенты Nu N.z,

и Крг, Крг, ... относятся к отдельным группам, состоящим из несколь­ ких каскадов.

Из (1.19) следует, что шумовые свойства приемника в основном оп­ ределяются первыми каскадами, где собственный шум по уровню со­ измерим с сигналом. Кроме того, шумовые свойства приемника опреде­ ляются не только коэффициентами шума отдельных каскадов, но и их коэффициентами усиления по мощности.

Формула (1.19) позволяет рассчитать новое результирующее зна­ чение коэффициента шума N0 приемника при включении на его вход

20

малошумящего УРЧ, имеющего коэффициент шума iVyP4 и усиление по мощности Кр урч:

где N — коэффициент шума приемника без УРЧ.

Важно отметить, что желаемое снижение результирующего коэффи­ циента шума возможно только в том случае, если подключаемый на вход приемника УРЧ обладает не только малым коэффициентом шума, но и достаточно высоким усилением по мощности. Задавшись неравен­

При анализе малошумящих усилителей часто пользуются понятием эквивалентнойшумовой температуры. В этом случае считают, что приведенный ко входу собственный шум приемника создается не экви­ валентным генератором тока или э. д. с., а согласованным со входом приемника шумящим резистором с сопротивлением Rm — R BX. Тем­ пература, которой должен обладать этот резистор, чтобы создать на выходе шум реального усилителя, и называется эквивалентной шумо­ вой температурой Тт усилителя. В соответствии с этим определением приведенный шум равен

Соотношение между коэффициентом шума и эквивалентной шумовой температурой можно получить из сопоставления (1.14) и (1.21):

Результирующую эквивалентную шумовую температуру многокаскад­ ного усилителя определяем из (1.19) с использованием (1.22):

где Гш1, Тш2, .... — эквивалентные шумовые температуры отдельных каскадов.

1.6. Избирательность радиоприемника

Мешающее действие.помех можно существенно ослабить разумным применением различных способов избирательности, многочисленные виды которой широко используются в радиоприемной технике. Все способы избирательности основаны на том, что радиоприемное устрой­ ство отличает сигнал от помехи по некоторым признакам, свойственным

только сигналу.

Рассмотрим основные виды избирательности.

21

Ч а с т о т н а я и з б и р а т е л ь н о с т ь применяется во всех без исключения радиоприемных устройствах и, образно выражаясь, получается автоматически, сама собой, поскольку эффективное усиле­ ние радиосигналов в приемнике возможно только с помощью резонанс­ ных, т. е. частотно-избирательных усилителей. Однако часто для полу­ чения необходимой частотной избирательности приходится использо­ вать в приемнике каскады с более сложными избирательными система­ ми, чем это требуется для обеспечения нужного усиления. Например,

такие системы, как уже рассмотрено, необхо­ димы в приемниках, работающих в диапазоне умеренно высоких частот.

При оценке частотной избирательности приемников рассматривают два вида избира­ тельности: избирательность по соседнему ка­ налу и избирательность по дополнительным каналам приема. Напомним, что при супер­ гетеродинном приеме основным дополни­ тельным каналом приема является зеркаль­

Часто избирательные свойства высокочастотного тракта приемника описываются так называемой характеристикой избирательности, пред­ ставляющей собой график зависимости уровня входного немодулированного сигнала £/вх от частотной расстройки А/, причем уровень вход­ ного сигнала при каждом значении расстройки устанавливается таким, при котором выходное напряжение Двых остается неизменным. При построении характеристики избирательности величины UBX обычно нормируют к напряжению UBX0, которое соответствует резонансной частоте ВЧ тракта. Типичный вид такой характеристики показан на рис. 1.10.

Важно отметить, что прохождение мешающих сигналов на выход приемника определяется не только частотной фильтрацией в высоко­ частотном тракте, но и рядом нелинейных явлений в отдельных, каска­ дах, таких, как перекрестные искажения в УРЧ, подавление помех сильным сигналом в детекторе и т. д. Поэтому характеристика изби­ рательности не дает полного представления о частотной избиратель­ ности приемника в целом. Более полно избирательность приемника оценивается с помощью характеристики его реальной избирательности. При снятии этой характеристики на входе приемника должны действо­ вать одновременно полезный и мешающий (помеха) сигналы. Допусти­ мое отношение уровней сигнала и помехи на выходе приемника прини­ мается заданным и неизменным, т. е.

( U с/ U п ом) е ы х “ COIlSt,

22

Характеристика реальной избирательности представляет собой за­ висимость требуемого превышения уровня полезного входного сигнала над уровнем заданного типа помехи ( U J £/пом)вх от величины расстрой - ки А/пом несущей частоты помехи относительно резонансной частоты приемника:

щественно ослабить уровень внешней помехи на входе приемника, если направления на источники сигнала и помехи заметно различаются между собой. Наибольшее распространение этот вид избирательности

которых источников промышленных помех имеет преимущественно вертикальную поляризацию. В этом случае использование горизонталь­ но поляризованного сигнала и применение соответствующих приемных антенн может ослабить мешающее действие помехи. Однако далеко не всегда указанное различие выражено настолько четко, чтобы его мож­ но было использовать для практических целей.

А м п л и т у д н а я и з б и р а т е л ь н о с т ь наиболее широко используется в радиоприемных устройствах, предназначенных для приема импульсно-модулированных сигналов. Схема, осуществля­ ющая амплитудную избирательность, пропускает на выход приемника только такие импульсы, интенсивность которых лежит в пределах воз­ можного изменения уровня полезного сигнала. Один из вариантов та­ кой схемы в упрощенном виде показан на рис. 1.11. Помехи, уровень которых ниже минимального уровня сигнала Uc мин, задерживаются ограничителем / с пороговым напряжением Uc мип. Помехи, превы­ шающие максимальный уровень сигнала Uc макс, выделяются на вы­ ходе ограничителя 2 с пороговым напряжением 0 Смакс и после фор­ мирования используются как запирающие импульсы в каскаде сов­ падений. Очевидно, что помехи, уровень которых превышает уровень полезного сигнала, могут быть эффективно подавлены только в том случае, если они имеют импульсный характер и сравнительно редко

В режиме стробирования приемник открывается только на короткие интервалы времени, соответствующие ожидаемому приходу отраженных импульсных сигналов. Все остальное время приемник закрыт, что значительно снижает мешающее действие помех.

23

импульса. На рис. 1.12 показана структурная схема устройства, про­ пускающего на выход импульсы, длительность которых соответствует длительности импульсов полезного сигнала. Импульсы сигнала и по­ мехи после ограничителя поступают на RC-цепочку, параметры кото­ рой выбраны так, что на ее выходе образуются треугольные импульсы с пиковыми значениями, пропорциональными длительности входных импульсов. Далее, полезный сигнал может быть выделен с помощью

В ы ход

-о

Рис. 1.12

схемы амплитудной избирательности, как это уже было описано. Воз­ можно создание избирательных схем, использующих и другие разли­ чия в форме сигнала и помехи.

В заключение отметим, что в радиоприемных устройствах часто со­ четается несколько видов избирательности. Например, в импульсных радиолокационных радиоприемных устройствах помимо частотной и пространственной избирательности, как правило, осуществляется также амплитудная и временная избирательность.

24

1.7. Общие технические требования к радиоприемным устройствам

В предыдущих параграфах были рассмотрены две важнейшие ха­ рактеристики радиоприемных устройств: чувствительность и избира­

должна обеспечиваться плавная перестройка (вещательные приемники), или набором фиксированных частот (телевизионные приемники). Часто приемники предназначаются для приема сигналов одной частоты (приемники радиовысотомеров).

Полный диапазон перестройки приемника обычно разбивается на

При проектировании приемника коэффициент перекрытия поддиапа­ зона выбирают обычно не более Кпд ~ 2ч- 3. Такое ограничение вели­ чины Кп71, в первую очередь, обусловлено конструктивными возмож­ ностями переменных конденсаторов, с помощью которых перестраи­ вается частота приемника. Как правило, максимальная (Смакс) и ми­ нимальная (Сшш) емкости переменного конденсатора находятся в соот­ ношении

^макс = (25 -г- 50) Смпн.

При этом условии коэффициент перекрытия поддиапазона не может превзойти величины

КПд —У^макс/^мип = 5 -г- 7.

В действительности величина Кпд оказывается меньше, так как ко­ лебательный контур неизбежно шунтируется так называемой схемной емкостью Ссх, обусловленной собственной емкостью катушки индуктив­ ности, емкостью монтажных проводов и т. д. С учетом этого коэффи­ циент перекрытия поддиапазона определяется формулой

КПд = V (CMflK. + Ccx)/(CMnn-{-C07.) .

Попытки к реализации большого коэффициента перекрытия под­ диапазона иногда могут привести к значительным затруднениям в на­ стройке приемника. Например, в связном приемнике, имеющем один диапазон от 13 до 52 м (КпД----4) перестройка с одного частотного кана­ ла на другой (с различием частот А/ = 10 кГц) будет соответствовать повороту ротора переменного конденсатора всего лишь на 0,1°, что потребует применения сложных замедляющих систем, в механизме на­ стройки приемника (верньеров). Наконец, следует отметить, что при слишком большом коэффициенте перекрытия поддиапазона такие

25

важные электрические характеристики приемника, как избиратель­ ность и чувствительность, могут изменяться при его перестройке в не­ допустимо больших пределах. Причины этого рассмотрены в § 1.2.

выми искажениями в каскадах приемника. Роль каждого из этих видов искажений существенно зависит от назначения приемника. Так, для вещательных и радиотелефонных AM приемников основное значение имеют нелинейные и частотные искажения огибающей принимаемого сигнала. Для телевизионных и некоторых видов локационных прием-, ников преобладающую роль играют фазовые искажения сигнала.

Частотные искажения в AM приемниках часто оценивают по так называемой кривой верности воспроизведения, представляющей зави­ симость выходного напряжения (или звукового давления вблизи звуко­ воспроизводящего устройства) от частоты модуляции сигнала. Такая оценка позволяет учитывать частотные искажения, возникающие одно­ временно во всех трактах приемника.

Нелинейные искажения в AM приемниках оценивают коэффициен­ том гармоник отдельных каскадов. Природа возникновения нелиней­ ных искажений огибающей сигнала в высокочастотном тракте имеет специфические особенности и будет рассмотрена в гл. 3.

Качество воспроизведения импульсных сигналов в высокочастот­ ном тракте оценивается с помощью переходных характеристик по оги­ бающей (см. гл. 6). Искажения импульсных сигналов в низкочастот­ ном тракте приемника учитывают способом, обычным для видеоусили­ телей.

Фазовые искажения оцениваются степенью линейности фазовых характеристик высокочастотных и низкочастотных каскадов прием­

эксплуатации из-за колебания температуры окружающей среды, пи­ тающих напряжений и из-за других дестабилизирующих факторов неизбежно изменяются характеристики приемника. В большинстве практических случаев приходится заботиться о стабильности частоты настройки приемника и стабильности его коэффициента усиления. Для приемников, сравнивающих фазы сигналов, важно постоянство фазовой характеристики.

Допустимая ошибка настройки приемника с полосой пропускания П обычно принимается равной

А/о - (0,1 4- 0,3)11.

Эта величина определяет допустимую относительную нестабильность частоты гетеродина

б/г = (0,1 ^ 0,3)П//Г.

26

Для связных и вещательных приемников, работающих в диапазоне километровых и гектометровых волн, допустимая нестабильность ве­ личины / г обеспечивается без затруднений обычными схемами гетеро­ динов. На более высоких рабочих частотах обеспечение необходимой стабильности настройки приемника требует применения дополнитель­ ных мер стабилизации частоты гетеродина Например, связной'прием­ ник с полосой пропускания П — 6 кГц сможет обеспечить постоянство настройки на частоте /0 = 20 МГц, если нестабильность частоты гете­ родина в соответствии с (1.24) будет не более 6/г = (Зн-9)10~6. Анало­ гичные требования предъявляют и к широкополосным приемникам, работающим в диапазоне СВЧ колебаний. Например, такая же вели­ чина 6/г требуется для импульсного радиолокационного приемника с полосой пропускания П = 3 МГц, работающего на волне Я0 = 3 см. Возможные способы повышения стабильности частоты гетеродинов будут рассмотрены в гл. 8. Однако не всегда эти способы оказываются

Стабильность коэффициента усиления приемника, как правило, оказывается весьма низкой. Действительно, незначительное изменение усиления в каждом каскаде может привести к резкому изменению общего коэффициента усиления, если число каскадов в приемнике до­ статочно велико. Например, уменьшение крутизны ламп Всего на 10% в шестикаскадном УПЧ приводит к падению общего коэффициента уси­ ления вдвое. В большинстве случаев низкая стабильность коэффициен­ та усиления не расценивается как серьезный недостаток приемника. При проектировании коэффициент усиления приемника выбирается в 1,5—2 раза больше расчетной величины. Возможный избыток усиле­ ния при эксплуатации компенсируется системой регулировки усиле­ ния.

В некоторых типах приемников требуется очень высокая стабиль­ ность коэффициента усиления. К ним можно отнести приемники, вхо­ дящие в состав измерительных устройств: измерители помех, измери­ тели уровня поля и т. п. Здесь могут применяться обычные способы стабилизации коэффициента усиления: отрицательная обратная связь, стабилизация питающих напряжений, а также метод калибровки, т. е. периодическая проверка и установка требуемого коэффициента усиления приемника по стандартному входному сигналу. Процесс ка­ либровки может быть автоматизирован с помощью специальных схем, которые устанавливают нужный коэффициент усиления в короткие интервалы времени, когда измеряемый сигнал на входе не действует.

в перечень основных ручных регулировок приемника входят:

27

— регулировка усиления высокочастотного тракта, устраняющая перегрузки высокочастотных каскадов при возрастании уровня вход­ ного сигнала; отметим, что уровни входных сигналов могут изменяться

вчрезвычайно больших пределах (до 100 дБ);

—регулировка уровня выходной мощности (или напряжения), обеспечивающая нормальный режим работы исполнительного устрой­

ства;

— регулировка частотной избирательности, позволяющая ослабить мешающие сигналы на соседних частотных каналах сужением полосы пропускания приемника; разумеется, при этом несколько снижается качество воспроизведения полезного сигнала;

— регулировка пространственной избирательности, осуществля­ емая соответствующей ориентацией направленной приемной антенны или переключением приемных антенн с различными диаграммами на­ правленности.

Кнаиболее распространенным видам автоматических регулировок

вприемниках относятся автоматическая регулировка усиления (АРУ)

иавтоматическая подстройка частоты (АПЧ), назначение которой рас­

смотрено ранее.

Автоматическая регулировка усиления устраняет совершенно оче­ видные неудобства, связанные с ручным регулированием усиления высокочастотного тракта приемника. Схемы АРУ достаточно просты и их использование практически всегда считается оправданным. В не­ которых случаях применение АРУ является обязательным для обеспе­ чения нормальной работы радиоприемного устройства. Например, в ра­ диолокации при одновременном наблюдении целей, находящихся на различных расстояниях, интенсивность отраженных импульсных сиг­ налов может отличаться на несколько порядков. Для компенсации этого различия используется так называемая временная автоматиче­ ская регулировка усиления (ВАРУ), которая по заданной программе изменяет коэффициент усиления приемника так, что сигналы на его входе имеют примерно одинаковый уровень. Временной интервал, в пределах которого производится эта регулировка, определяется задержкой сигнала от наиболее удаленной цели и исчисляется долями или единицами миллисекунд. Разумеется, ручная регулировка усиле­ ния в данном случае невозможна.

Технические условия, на основании которых проводится электри­ ческий и конструктивный расчет радиоприемного устройства, состав­ ляют с учетом общих требований к радиотехнической системе. Часто при составлении отдельных пунктов технических условий бывает трудно определить, какой ценой может быть достигнуто их выполне­ ние. Поэтому на стадии проектирования считается допустимым измене­ ние некоторых пунктов технических условий, если это изменение без заметного ухудшения радиотехнической системы позволяет сущест­ венно упростить или удешевить радиоприемное устройство. Например, при приеме интенсивных сигналов на слабом фоне помех можно допу­ стить существенное расширение полосы пропускания приемника для того, чтобы отказаться от сложной системы АПЧ и упростить радио-

28

приемное устройство в целом. Возможны изменения и другого рода: сравнительно небольшое усложнение радиоприемного устройства при­ водит к значительному улучшению общих характеристик радиотехниче­ ской системы. Например, повышение чувствительности приемника радиодальномерной системы введением в его Состав малошумящего УРЧ может позволить на порядок снизить излучаемую мощность передатчи­ ка и тем самым резко сократить вес, габариты, потребляемую мощность, стоимость и т. д. аппаратуры всей системы. Таким образом, успех при проектировании в значительной степени определяется тем, насколько полно учитывается взаимосвязь технических и экономических показа­ телей, их влияние на общие характеристики как радиоприемного устройства, так и всей радиотехнической системы.

1.8.Помехоустойчивость радиоприема

В§ 1.6 были рассмотрены различные виды избирательности, исполь­ зуемые в радиоприемной технике с целью ослабления мешающего действия помех. Применение некоторых из этих видов избирательности (амплитудной, временной и т. д.) привело к созданию большого числа инженерных методов защиты от помех. Интерес к использованию этих методов неизменно возрастал с развитием уровня радиоприемной тех­ ники. Особое значение проблема помехоустойчивого радиоприема приобрела в начале 40-х годов, отмеченных бурным развитием радио­ локации. К этому времени воплощение инженерных методов защиты от помех позволяло использовать на практике десятки различных схем­ ных решений. Трудность, которая возникла в этой ситуации, состояла

втом, что обоснованный выбор одного из этих решений был сопряжен

струдоемким анализом большого числа вариантов. Исследования та­ кого рода в значительной степени носили характер случайных поисков

иникогда не могли дать уверенности в том, что не возможен иной, еще не разработанный метод, обеспечивающий по сравнению с выбранным более высокую помехоустойчивость.

Дальнейший прогресс в области помехоустойчивого приема был связан с развитием теории оптимальных фильтров. Основной задачей этой теории является отыскание такой структуры фильтра, входящего

всостав приемника, при которой принимаемый на фоне шумовой поме­ хи сигнал воспроизводился бы наилучшим образом. Качество воспро­ изведения сигнала при этом оценивается либо минимальной средне­ квадратичной ошибкой, либо максимальным отношением сигнала к шу­ му на выходе фильтра. Эти величины были названы критериями опти­ мальности.

Ограниченность теории оптимальных фильтров заключалась в том,

что в ней не ставилась более общая задача оптимального приема сооб­ щений, содержащихся в сигналах. Такая задача с некоторыми ограни­ чениями начальных условий была поставлена и решена В. А. Котель­ никовым. В созданной им теории потенциальной помехоустойчивости было введено понятие идеального приемника, который в соответствии с выбранным критерием оптимальности наилучшим образом вопроиз-

29