книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

При таком начальном условии решение уравнения (10.31) имеет вид

— эквивалентная постоянная времени системы авторегулировки уси­ ления. Величина тару оказывается меньше, чем постоянная времени ЯС-фильтра, причем это уменьшение зависит от амплитуды U х вход­

ного сигнала. По истечении времени ty = 2, 3 тдру от момента начала действия сигнала на входе напряжение на выходе достигнет 110%-ной величины установившегося значения, которое на основании (10.32) будет равно

«2 ( 0 - U3 = (Ko'+ KE3)UA1 + к и г) при и 2 > Еа. (10.34)

Таким образом,

(10.35)

U2={Ko+ KE3)UxI(\A- К U,) при u 2> e J

определяют статическую характеристику системы АРУ с задержкой. Эта характеристика изображена на рис. 10.25, а.

Статическая характеристика АРУ без задержки определяется со­ отношением

которое следует из (10.35) при Е3 = 0. Эта характеристика изображе­ на на рис. 10.25, б. На этих же рисунках пунктиром для сравнения приведена зависимость U2 = U2 IUг] в приемнике без АРУ.

Сравнение формул (10.35) и (10.36) показывает, что введение за­ держки приводит к увеличению установившегося значения на вели­ чину Д = E3K U J (1 + KUJ.

380

Таким образом, чем выше напряжение задержки, тем при данном увеличении входного сигнала меньше (Ур и тем больше установивше­ еся выходное напряжение. При неограниченном увеличении ампли­ туды входного сигнала напряжение на выходе приемника с системой АРУ стремится:

при наличии задержки к величине

lim U2 = Е3 + К0/К,

О,-00

апри отсутствии задержки к меньшей величине

чением коэффициента передачи в цепи обратной связи системы АРУ и с увеличением числа регулируемых каскадов.

Радиосигнал с амплитудной модуляцией. Рассмотрение процессов в приемнике с системой АРУ, когда на его входе действует AM сигнал, основано на исследовании решения системы уравнений (10.30) при задании вида функции их (t). Случай воздействия радиосигнала с гар­ монической огибающей на приемник с системой АРУ, в цепи обратной связи которой используется однозвенный или двухзвенный интегри­ рующий /?С-фильтр, рассмотрен в [13]. Анализ полученных в этой работе результатов показывает, что при использовании в обратной связи одиозвенной интегрирующей RC-цепи система АРУ устойчива при любой частоте модуляции, однако неправильный выбор парамет­ ров /?С-цепи может привести к существенным искажениям огибаю­ щей на выходе регулируемого усилителя. При использовании двух­ звенной интегрирующей /?С-цепи в качестве' ФНЧ в цепи обратной связи система АРУ возбуждается при определенном значении коэф­ фициента модуляции в некоторой полосе частот модулирующего коле­ бания, которая определяется параметрами ее схемы [14].

Анализ системы (10.30) для произвольных модулирующих колеба­ ний весьма сложен. Поэтому рассмотрим, следуя методике работы [12], приближенный метод анализа, который справедлив, если коэф; фициент модуляции несущей мал.

На основании соотношения (10.27) можно найти связь между на­

Для произвольного момента времени найдем зависимость между приращениями колебаний иг (t) и u2(t). Дифференцируя (10.37), по­ лучаем

381

Отсюда, учитывая, что

Определяя коэффициенты модуляции на входе и выходе приемника соотношениями (t) = dux (t)lui (t); m 2 (t) = du2 (t)/u2 (t), окон­ чательно получаем

В этой формуле отношение dUpldu2имеет смысл передаточной функ­ ции цепи обратной связи системы АРУ, поэтому при неизменной амп­ литуде несущей можно записать

~— К а р у F (р)»

du2

где F (р) — передаточная функция ФНЧ, представленная в символи­ ческой форме, а р — оператор дифференцирования. Тогда из (10.38) с учетом равенства К = «К ару получим

т 2 ______ 1

Ф ( Р ) :

тх \-\-Kul F(p)

Такой передаточной функции соответствует некоторая следящая система, структурная схема которой изображена на рис. 10.26. В этой

Для анализа искажений радиосигналов, амплитуда которых моду­ лирована по гармоническому закону, определим амплитудно-и фазо­ частотные характеристики системы, для чего в (10.39) положим

382

р = /Q и найдем модуль и фазу полученного комплексного выра­ жения. В результате

По этим формулам были построены графики, которые изображены на рис. 10.27.

Анализируя полученные результаты, можно отметить, что коэффи­ циент модуляции на выходе всегда меньше коэффициента модуляции на входе, т. е. из-за авторегулировки имеет место подавление моду­ ляции. При заданных тф и й подавление, обусловленное действием

<Р

80°

60°

О0°

20°

Рис. 10.27

АРУ, тем сильнее, чем выше уровень несущей. Это объясняется уве­ личением быстродействия системы по мере роста 'входного сигнала. Система АРУ влияет на фазовый сдвиг огибающей выходного сигнала по отношению ко входному. Фаза огибающей сигнала на выходе опе­ режает фазу огибающей сигнала на входе. При малых йтф наблюдается резкое возрастание фазового сдвига, затем кривая спадает, стремясь к нулю. Таким образом, как видно из рис. 10.27, б, имеются две области малых фазовых искажений. Рабочей областью следует считать область больших значений £2тф, так как только в этой области малы амплитуд­ ные искажения. Задавая амплитудные или фазовые искажения, можно оценить нижнюю границу постоянной времени фильтра.

383

Решим (10.40) относительно тф:

Для обеспечения заданных амплитудных искажений величина тф выбирается несколько больше величины (10.42). Верхняя граница постоянной времени тф определяется заданным быстродействием си­ стемы АРУ. Для радиовещательных и связных телефонных приемников AM сигналов тф = 0,02 ч - 0,2 с, для телеграфных связных приемни­ ков тф = 0,1 ч- 1 с. Аналогично выбирают тф, исходя из заданных фазовых искажений.

Разновидности систем АРУ

На вход приемников радиолокационных станций, в которых часто используются импульсные радиосигналы, кроме отраженных от цели сигналов, приходят различного типа помехи. Протяженность местных предметов: облаков, зданий, возвышенностей, как правило, значитель­ но превосходит протяженность и отражающую поверхность цели, след­ ствием чего являются значительно большие'мощность и длительность отраженных от них помех. Наблюдение сигнала цели на фоне таких

янная времени ФНЧ выбирается достаточно малой, что позволяет бы­ стро, в течение времени порядка длительности импульса полезного сигнала, сместить рабочую точку на статической характеристике регу­ лируемых каскадов и вывести полезный сигнал на ее линейный участок. Однако при малой постоянной времени ФНЧ фильтрация высокоча­ стотного напряжения может оказаться недостаточной и при значитель­ ном усилении в цепи обратной связи может привести к самовозбужде­ нию регулируемого усилителя. Поэтому при использовании БАРУ обратной связью охватывается лишь один усилительный каскад, как, например, показано на рис. 10.28. В этой схеме сигнал с выхода каска­ да УПЧ, выполненного на пентоде Л,, поступает на пиковый детектор Д, в цепь которого последовательно с сопротивлением нагрузки введено напряжение задержки Еа. Продетектированное напряжение снимается с резистора R и через фильтр /?фСф, постоянная времени которого вы­ брана в несколько раз большей длительности импульса сигнала, но меньшей длительности предполагаемой помехи, через катодный пов­ торитель Л 2 поступает на управляющую сетку лампы Л1. С помощью катодного повторителя удается получить малое выходное сопротив­ ление источника регулирующего напряжения, что предотвращает дли­ тельное запирание каскада УПЧ после сильных импульсов помехи, вызывающих появление сеточных токов лампы Л^ Для повышения эффективности АРУ рассмотренный способ применяется в нескольких каскадах УПЧ (рис. 10.29).

384

Значительное повышение различимости целей на фоне отражений от земной или морской поверхности достигается путем использования в радиолокационных приемниках в . р е м е н н о й р е г у л и р о в ­ ки у с и л е н и я (ВАРУ). В этом случае используется специально сформированный управляющий сигнал, изменение величины которого по времени соответствует закону уменьшения амплитуд сигналов, отраженных от земной поверхности (6 4- 12 дБ на октаву времени).

Рис. 10.28

При этом в ближней зоне действия радиолокационной станции, где интенсивность отраженных от земли сигналов максимальна, действие ВАРУ значительно уменьшает их усиление в приемнике. Затем его чувствительность постепенно повышается до максимальной. Часто ВАРУ осуществляется путем подачи дополнительного напряжения сме­ щения специальной формы на каскады УПЧ.

Для создания необходимого регулирующего напряжения обычно используются видеоим­ пульсы, которые синхронизиро­ ваны с излучаемыми импуль­ сами передатчика радиолока­ ционной станции. Каждый ви­

деоимпульс заряжает некоторый конденсатор, напряжение на ко­ тором и используется в качестве регулирующего. В течение периода повторения импульсов этот конденсатор разряжается и усиление ре­ гулируемых каскадов возрастает. Процесс заряда и разряда этого кон­ денсатора периодически повторяется. Подбирая величину регулиру­ ющего напряжения и постоянную времени разряда, можно получить требуемое изменение усиления во времени. Когда к форме этого из­ менения предъявляются специальные требования, формирование управляющего сигнала осуществляют в отдельном генераторе.

Дополнительные сведения по системам автоматической регулиров­ ки усиления можно найти в [12—151.

Список литературы

]. Л а б у т и н В. К. Колебательный контур, перестраиваемый нелинейной емкостью. Л., «Энергия», 1964.

2.С а р т а с о в Н. А., Е д в а б н ы й В. М., Г р и б и н В. В. Коротковол­ новые магистральные радиоприемные устройства. М., «Связь», 1971.

М., «Наука», 1964.

7.Г о н о р о в с к и й И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М., «Сов. ра­

на частотный дискриминатор. — «Электросвязь», 1960, № 10.

11.Т и х о н о в В. И. Работа ЧАП при наличии шумов. — «Электросвязь», 1962, № 9.

12.К р и в и ц к и й Б. X. Автоматические системы радиотехнических устрой-,

11.Действие сигнала и шума

втиповых блоках радиоприемников

11.1.Общая характеристика шумовых свойств приемника

Вопросы, которые рассматриваются в этой главе, относятся к ана­ лизу помехоустойчивости реальных радиоприемных устройств. Этот анализ связан с решением обширного круга задач, отличающихся, в первую очередь, характером действующих .помех. Из всего множества возможных типов помех здесь выбраны лишь стационарные шумовые помехи, так как, во-первых, шумовая помеха в виде собственного ста­ ционарного шума высокочувствительных приемников является по­ стоянно действующей и должна учитываться при анализе работы радиоприемного устройства. Во-вторых, при изучении реакции радио­ приемных устройств на внешние организованные помехи в первую очередь принято учитывать стационарную широкополосную шумовую помеху, энергетический спектр которой перекрывает полосу пропуска-

386

ния приемника. Организованную шумовую помеху такого типа иногда называют универсальной в том смысле, что из числа других возможных помех она оказывается практически одинаково эффективной по отно­ шению к приемникам различного назначения, снабженным различными средствами помехозащиты. Наконец, можно отметить, что некоторые типы внешних неорганизованных помех по своему характеру также являются шумовыми. Сюда относятся помехи космического происхожде­ ния, помехи, вызванные электризацией приемной антенны, и т. д.

Ранее было показано, что собственный шум приемника можно учи­ тывать так называемым приведенным ко входу шумом. Сам прие\1нйЯ при этом считается нешумящим. Отсюда видно, что с точки зрения воз­ действия на приемник какие-либо принципиальные различия между внутренними и внешними широкополосными шумовыми помехами оф» сутствуют, и оба типа помех могут учитываться эквивалентным шумо­ вым генератором на входе приемника.

Переписав выражение (1.17) для чувствительности шумящего прием­ ника в виде

Рс вх = D [АГаПш + kT0Пш (N - 1)] =

= D [РША + P J ,

можно сказать, что чувствительность приемника определяется мощ­ ностью сигнала Р с вх, bD раз превышающей мощность входного шума который обусловлен двумя компонентами: шумом антенны Ршд и при­ веденным собственным шумом приемника Р'ш. Если на входе приемника действует широкоспектральная стационарная шумовая помеха со спектральной плотностью Gn, то ее мощность в полосе пропускания приемника Р„ вх = ОпПш будет третьим компонентом входного шума, и чувствительность приемника станет равной

Сигнал и шум, действующие на входе приемника, воспроизводятся на его выходе в виде случайной функции времени. Естественно, что при этом оказывается невозможным точно определить параметры сиг­ нала, несущие полезное сообщение. Другими словами, при приема сигнала на фоне шума неизбежно возникают ошибки при воспроиз­ ведении полезного сообщения.

Анализ помехоустойчивости радиоприемных устройств сводится к определению реакции исполнительных устройств на случайный про­ цесс, обусловленный совместным действием сигнала и шума в тракта приемника. Конечной целью анализа является установление количест­ венных соотношений, между ошибками при приеме сообщений и вели­ чиной D, т. е. отношением уровней сигнала и шума на выходе высоко­ частотного тракта приемника. После этого принимают величину и соответствующей допустимым ошибкам, и по (11.1) определяют мини­ мально допустимый входной сигнал, т. е. чувствительность приемника.

Оценку ошибок производят в соответствии с конкретным назна­ чением радиотехнической системы, в состав которой входит иссле­ дуемое радиоприемное устройство. В радиолокации эти ошибки часто определяют вероятностью обнаружения цели; в системах, предназна­ ченных для измерения дальности, ошибки оценивают по среднеквадра­ тичному отклонению от истинного значения дальности; в связных системах ошибки при приеме радиотелефонных сообщений принято ха­ рактеризовать коэффициентом разборчивости речи и т. д. Приведенные примеры также позволяют представить, насколько могут быть разнооб­ разнымисигналы, используемые в различных радиотехнических си­ стемах. Например, при измерении дальности может быть использовано импульсное излучение, непрерывное излучение с частотной модуля­ цией, лазерное излучение с модулированной поднесущей и т. д. Все эти случаи требуют специального рассмотрения статистических свойств сигналов, действующих совместно с шумом. Поэтому полный анализ помехоустойчивости радиоприемных устройств, входящих в со­ став конкретных радиотехнических систем, в значительной мере носит индивидуальный характер и рассматривается в специальных курсах.

Целью настоящей главы является изучение действия стационарного шума совместно с некоторыми видами AM сигналов на типовые блоки радиоприемных устройств. Результаты, полученные при этом изучении, могут служить основой для анализа помехоустойчивости в широком классе задач. Один из примеров, относящийся к такому анализу, при­ водится в § 11.9.

При составлении главы предполагалось, что читатель знаком с ос­ новами теории случайных процессов, изложенной, например, в [1].

11.2. Прохождение шума через высокочастотный тракт приемника

Рассмотрение задачи о действии одного шума (без сигнала) в тракте радиоприемника представляет интерес с двух точек зрения. Во-первых, такая задача не лишена практического значения. Действительно, часто бывает так, что радиоприемное устройство находится в режиме ожидания сигнала. В это время в тракте приемника действует только шум, который может вызвать ложную регистрацию прихода сигнала. Аналогично обстоит дело при приеме импульсных сигналов. Здесь так­ же в паузах между импульсами действует только шум.

Во-вторых, так поставленная задача полезна в методическом от­ ношении, ибо позволяет сравнительно легко дать физическое объяс­ нение явлениям, определяющим характер случайных процессов в трак­ те приемника. Далее эти результаты легче распространить на более сложные случаи, когда одновременно с шумом действуют сигналы.

. ■'Теперь обратимся к структурной схеме типового ВЧ тракта супер­ гетеродинного приемника (рис. 11.1) и обсудим идеализации, которые будут приняты в дальнейшем рассмотрении. Предположим, что все каскады этого тракта являются линейными, включая и преобразова­ тель частоты ПЧ, который рассматривается как идеальное устройство,

Ш

без искажений переносящее спектры сигнала и шума из диапазона ча­ стот сигнала в полосу пропускания УПЧ. Напомним, что эта идеали­ зация ПЧ основана на предположении, что избирательность ВЧ тракта по паразитным каналам приема достаточно высока. Можно показать, в частности, что прохождением шума через зеркальный канал приема можно пренебречь при избирательности Se3K ^ 3.

Собственный шум приемника, как известно, определяется в основ­ ном его первыми каскадами, полосы пропускания которых существенно превосходят результирующую полосу пропускания ВЧ тракта.

Поэтому приведенный ко входу собственный шум приемника по отношению к полосе пропуска­ ния ВЧ тракта является ши­ рокополосным. Таким же свойст­ вом обладают широкоспектраль­ ная внешняя шумовая помеха и шум антенны.

Определим из физических представлений характер случай­ ных колебаний на выходе ВЧ тракта, считая, что на его входе действует широкоспектральный

^ 4 - 0 - 0 - 0 - 0 1 - .

несколько превосходить время корреляции tK входного шума,которое приближенно можно определить как tK« 1/Пш вх, где Пш вх — ши­ рина энергетического спектра входного шума.

Так как ВЧ тракт является линейной системой, то выходной про­ цесс можно представить как суперпозицию откликов ВЧ тракта на элементарные воздействия, заключенные в выделенных временных интервалах.

Входной шум, как мы условились, является широкоспектральным по отношению'к полосе пропускания Пвч, т. е. Пш вх > Пвч. Это означает, что время установления в ВЧ тракте, которое примерно равно твч » 1/Пвч, существенно превосходит длительность элементар­ ного воздействия. При этих условиях элементарное воздействие может

389