книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

фильтра Ф. В момент времени Т — ltu на выходе такого фильтра (рис. 13.6) формируется импульс с длительностью tn, являющийся суммой всех элементарных импульсов ФМ сигнала. Можно поэтому счи­ тать, что этот фильтр сжимает входной сигнал с коэффициентом сжатия, равным /, т. е. числу отводов линии задержки. При достаточно боль­ шом числе I можно осуществить значительное сжатие и, следователь­ но, высокую точность измерения дальности. Точно измерить частоту (скорость) по выходному сигналу согласованного фильтра затрудни­ тельно из-за малой длительности выходного сигнала и фазовых ис­ кажений.

Рис. 13.7

К достоинствам обработки ФМ сигналов с помощью согласованных фильтров можно отнести возможность одновременного измерения даль­ ности большого числа объектов, имеющих близкие радиальные ско­ рости движения, по сигналам с выхода только одного фильтра.

При практическом осуществлении согласованных фильтров на линиях задержки встречаются трудности в изготовлении линий за­ держки с большим числом отводов. Эти трудности существенно умень­ шаются при использовании цифровых согласованных фильтров.

Принцип построения цифрового согласованного фильтра можно иллюстрировать схемой фильтра для 5-элементного адресного кода 10110, приведенной на рис. 13.7. Цифровой согласованный фильтр состоит из регистра сдвига PC, на вход которого подается импульсный видеосигнал, сформированный в высокочастотной части приемника из ФМ сигнала, устройства синхронизации в виде генератора управляю­ щих импульсов и суммирующего устройства на резисторах. Цифровой согласованный фильтр осуществляет посимвольные решения по мере того, как псевдослучайный видеосигнал поступает в регистр сдвига, т. е. производит нелинейную операцию. Теоретическое и эксперимен­ тальное сравнение линейного согласованного фильтра на многоотвод­ ной линии задержки и цифрового согласованного фильтра описанного типа показало, что последний ухудшает отношение сигнал/шум по мощности примерно на 2-f-3 дБ. Однако цифровой согласованный фильтр обладает следующими достоинствами:

— цифровой регистр имеет неограниченно большую длину;

510

—скорость сдвига может быть легко изменена;

—при «движении» последовательности в регистре сигнал не ос­ лабляется;

—регистр фильтра может быть использован и для выполнения

других операций в промежутки времени, когда он не выполняет основ­ ных функций,

которые определяют перспективность его использования в схемах радиоприемных устройств.

Большой вклад в разработку радиолокационных систем внесли многие ученые различных стран и, в частности, советские ученые Берг А. И., Кобзарев Ю. Б., Котельников В. А., Минц А. Л., Сифоров В. И. и др.

Дополнительные сведения о радиолокационных приемниках можно найти в гл. 12 и в [15, 16].

13.3.Особенности приемников систем радиосвязи

ирадиовещания

Приемники, используемые в системах радиосвязи и радиовещания, по степени согласования структуры схемы со структурой ожидаемых радиосигналов занимают промежуточное положение между радиоло­ кационными и телевизионными приемниками.

При проектировании системы радиосвязи сравнительно большой объем априорной информации о структуре ожидаемых радиосигналов позволяет использовать способы согласования, аналогичные рассмот­ ренным для радиолокационных приемников.

В системах радиовещания в настоящее время согласуют только полосу пропускания приемника с полосой частот, занимаемой ожи­ даемым радиосигналом. Например, для хорошего воспроизведения зву­ чания симфонического оркестра и безупречного воспроизведения речи необходима полоса частот 65-1-10 000 Гц, удовлетворительное вос­ произведение музыки и хорошее качество воспроизведения речи можно обеспечить при полосе пропускания 100-1-6000 Гц, удовлетворитель­ ное качество воспроизведения речи —при полосе пропускания 150 4- 4-2500 Гц. Результирующую полосу пропускания приемника обычно выбирают в соответствии с указанными значениями.

Исследование априорных закономерностей в структуре речи приве­ ло в последние годы к разработке специальных устройств — вокоде­ ров, в которых речь синтезируется на основании приема информации о ее основных характеристиках. Такое согласование структуры речи со структурой схемы вокодера позволяет уменьшить необходимую для передачи речи полосу частот в 10—20 раз, что, в свою очередь, приводит к повышению помехоустойчивости радиосвязи. Несомненно, что априорные закономерности в формировании музыкальных про­ изведений, которые изучают в настоящее время с помощью ЭЦВМ, смогут быть использованы в будущем для более точного согласования структуры радиосигналов со структурой схемы приемника при приеме информации музыкальных произведений.

511

Сигналы в системах радиосвязи и радиовещания

В с и с т е м а х р а д и о с в я з и применяют различные радиосиг­ налы. Ряд десятилетий единственным переносчиком информации являлось гармоническое колебание с различными видами модуляции и манипуляции: амплитудной, частотной, фазовой, относительной фазо­ вой и т. д. Освоение метрового диапазона волн и совершенствование радиолокационной техники привело к использованию в системах радио­ связи периодической последовательности импульсов с гармоническим заполнением. При этом возможен ряд видов модуляции и манипу­ ляции: временная импульсная модуляция, частотная импульсная ма­ нипуляция и т. д.

В последние десять лет в системах радиосвязи все большее распро­ странение получают псевдослучайные (шумоподобные) сигналы с базой В > 1, рассмотренные в § 13.2. В таких системах для переноса инфор­ мации в канале связи применяют несколько различных реализаций этих сигналов, которые разделяют в приемнике с помощью согласован­ ных фильтров, осуществляющих селекцию по их форме [17], Сущест­ венная особенность систем радиосвязи с такими сигналам!) состоит в том, что полоса частот передачи существенно шире полосы переда­ ваемого сообщения. Благодаря этому такие системы могут успешно ра­ ботать при наличии в их полосе ряда частот обычных узкополосных радиостанций.

Важной проблемой, от решения которой в значительной мере за­ висит дальнейшее развитие средств связи, является проблема уста­ новления надежной связи в каналах при наличии многолучевого ха­ рактера распространения радиоволн в ионизированной среде. Нали­ чие многолучевого распространения приводит к искажению прини­ маемых сигналов, в частности на декаметровых волнах к флюктуациям мощности принимаемого сигнала на входе приемника. Применение псевдослучайных сигналов позволяет решить и эту проблему.

Дело в том, нто такие сигналы, как уже отмечалось в § 13.2, об­ ладают хорошими корреляционными свойствами, т. е. при выполнении условия согласования (13.17) в приемнике они могут быть преобразо­ ваны в импульсы, длительность которых обратно пропорциональна ширине используемой полосы частот. На декаметровых волнах наи­ более часто встречающиеся значения времени запаздывания лежат в пределах 0,44—1,4 мс. Для того чтобы разделить лучи с временем запаздывания !зап^0,1 мс, длительность импульса на выходе приемника должна быть !и = тЭфф= l/F ^ O .l мс и, следовательно, в этом случае псевдослучайный сигнал должен занимать полосу частот F ^ 10 КГц. После того как лучи разделены, их можно совместить во времени и сложить. Так как лучи будут складываться арифметически, то можно получить выигрыш в помехоустойчивости, который по отношению мощностей сигнала и помехи может быть порядка 20—30 дБ. Методы

512

В большинстве систем радиовещания применяют AM или ЧМ гармо­ нические радиосигналы.

Совершенствование систем радиовещания привело в последние годы к созданию стереофонического радиовещания [18]. Такие си­ стемы в отличие от монофонических позволяют перенести реальное зву­ ковое поле из места передачи звуковой информации на большие рас­ стояния в место ее приема. В результате слушатель получает возмож­ ность определять положение в пространстве источника звука, что су­ щественно улучшает качество восприятия звуковой информации, осо­ бенно при прослушивании концертов по радио.

Для точного воспроизве­ дения структуры звукового поля в месте приема, вообще говоря, необходимо разме­ стить в различных точках студии или концертного зала на передающем конце большое число микрофонов. Каждый из микрофонов должен быть связан со своим приемником звуковой информации в месте приема отдельным каналом связи. Ввиду сложности и громоздкости такая система стереофонической звукопередачи практического примене­ ния не нашла. Исследования

показали, что существенно улучшить качество при приемлемой слож­ ности аппаратуры можно в двухканальной системе стереофониче­ ского радиовещания. В этой системе в месте передачи на расстоянии 1,5—2 м друг от друга устанавливают два микрофона, одинаковых по чувствительности и характеристикам направленности. Каждый из мик­ рофонов связан со своим усилителем низких частот, выходные сигналы которых модулируют радиосигнал передатчика.

Важнейшая задача при выборе способа модуляции радиосигналов связана с решением проблемы совместимости. Под совместимостью стереофонической звукопередачи с монофонической понимают воз­ можность слушать стереофоническую звукопередачу как полноцен­ ную монофоническую, т. е. возможность принимать стереофонические радиосигналы с помощью обычного монофонического приемника.

Известны различные системы стереофонического радиовещания [18]. В Советском Союзе была предложена и разработана система стереофонического радиовещания с полярной модуляцией. В этой системе сигналы обоих каналов передаются на поднесущей частоте 31,25 кГц так, что положительные полупериоды этого колебания моду­ лируются сигналом А первого канала, а отрицательные — сигналом В второго канала. Таким образом при помощи полярно-модулированного колебания (рис. 13.8, а) можно одновременно передавать звуковую

513

информацию из двух точек помещения на передающем конце. В состав спектра таких колебаний (рис. 13.8, б) входят высокочастотные (надтональные) составляющие стереосигнала, которые представляют собой спектр разности сигналов Л и В, состоящий из поднесущей с боковыми составляющими, и низкочастотные (тональные) составляющие стерео­ сигнала, являющиеся спектром суммы этих сигналов. Полярно-моду- лированная поднесущая сначала преобразуется в передатчике так, что составляющие ее спектра на частоте поднесущей частично подав­ ляются для обеспечения лучшей совместимости стереофонических и мо­ нофонических передач, а затем используется для обычной частотной мо­ дуляции высокочастотного сигнала, который излучает передающая антенна в диапазоне метровых волн.

Система радиовещания с полярной модуляцией позволяет легко переходить со стереофонического радиовещания на двухпрограммное и, в частности, на передачу одной программы одновременно на двух языках, что имеет большое значение для нашей многонациональной страны.

Приемники систем радиосвязи

В зависимости от условий эксплуатации и вида работ связной при­ емник можно отнести к различным классам: приемники для магист­ ральной связи, при которой осуществляется двусторонняя радио­ связь между крупными наземными населенными пунктами; приемники для подвижных объектов; приемники для радиорелейных систем связи; приемники для приема и записи телеграфных сигналов; приемники фототелеграфных сигналов и т. п. Каждый из этих приемников обла­ дает специфическими особенностями, обусловленными структурой принимаемых радиосигналов и требованиями эксплуатации.

Одним из наиболее универсальных приемников системы радиосвязи является приемник магистральной связи. На рис. 13.9 приведена упро­ щенная структурная схема современного приемника этого типа. Такой приемник в диапазоне частот 1,5—29,9999 МГц позволяет принимать гармонические радиосигналы с различными видами модуляции и ма­ нипуляции. В его схеме можно выделить три блока: главный тракт приема, синтезатор частот и систему выходов, которые построены в ос­ новном на полупроводниковых приборах. В целом схема содержит около 1000 транзисторов и более 1000 диодов.

Г л а в н ы й т р а к т п р и е м а — одна из основных функциональ­ ных систем приемника магистральной связи, которая предназначена для предварительной селекции и усиления сигнала. Главный тракт рассматриваемого приемника построен по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты принимаемого сигнала. Частота первого гетеродина Гх настраивается на частоту, соответствующую формируемой в синтезаторе частот. Колебание второго гетеродина формируется непосредственно в синтезаторе частот.

Применение синтезаторов частот [19] в схемах приемников систем магистральной радиосвязи позволяет обеспечивать беспоисковое и ус­ тойчивое вхождение в связь на любой частоте рабочего диапазона.

514

Y

г Главный тракт приема

515

с помощью деления, умножения и смешения частот различных гармо­ ник, которые формируются в блоках формирования частот из колеба­ ния генератора опорной частоты, суточная нестабильность которого достигает 5 • 10~9. В приведенной схеме диапазон рабочих частот раз­ бит на 6 поддиапазонов, каждый из которых перекрывается дискретно через 100 Гц. Выбор такого шага дискретности обеспечивает высокое качество приема для наиболее распространенных видов связи, поз­ воляя реализовать в пределах диапазона 285 000 фиксированных на­ строек приемника.

В соответствии с обычным построением супергетеродинной схемы в главном канале приема имеются следующие узлы: входная цепь в ц и УРЧ, первый смеситель СМ1; который смешивает принимаемые радио­ сигналы с колебанием частоты frl от первого гетеродина Гъ в резуль­ тате чего частота радиосигналов / с понижается до первой промежуточ­ ной частоты / п1. Обычно частота первого гетеродина выше частоты сиг­ нала, но в некоторых приемниках используют и обратное соотношение. Сигнал с частотой / П1 = / Г1 — / 0 усиливается в УПЧ, и вновь пре­ образовывается во втором смесителе СМ2 с помощью колебаний второго

телефонный Дтф амплитудные детекторы и в блок системы выходов. Нагрузка телеграфного детектора существенно инерционнее, чем у де­ тектора телефонного канала. Сигналы с выхода этих детекторов уси­ ливаются в УНЧ и поступают на контрольный выход.

В главный тракт приема сигнала введены специальные элементы регулировки усиления ЭР! — ЭР3, схемы которых были рассмотрены в гл. 10. Такие элементы позволяют в широких пределах изменять коэффициент передачи регулируемых каскадов, не ухудшая при этом линейность приемного тракта.

Сигнал частоты /п2, поступающий в б л о к с и с т е м ы в ых о д о в , может быть обработан различным образом. В частности, в этом блоке имеется смеситель СМ3, на вход которого может быть подан сигнал от усилителя пилот-сигнала, и тогда схема работает как синхронный детектор, либо сигнал от генератора местной несущей, и тогда схема

быть выделена частотная манипуляция, которая используется для

Величину первой промежуточной частоты / П1 выбирают достаточно большой, что позволяет существенно повысить избирательность при-

516

емника по зеркальному каналу fgKl первого преобразования. При­ менение малой по сравнению с частотами / с и / П1 величины второй про­ межуточной частоты fn2 позволяет выполнить УПЧ2 с малой полосой пропускания и большой избирательностью по смежным каналам.

В приемнике с двойным преобразованием частоты может возник­ нуть помеха по зеркальному каналу /зк2 второго преобразования. Учитывая возможность появления такой помехи, следует обеспечить высокое значение произведения избирательностей УРЧ, первого сме­ сителя СМХи УПЧг на частоте /зк2.

Основным недостатком супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты является наличие помехи, создаваемой на его входе высшими гармониками второго гетеродина. Эти гармоники

могут воздействовать на вход приемника, а также на входную и вы­ ходную цепи УРЧ, вызывая так называемое «поражение» некоторых участков частотного диапазона приемника. Для устранения этого не­ достатка стараются так выбрать частоту второго гетеродина, чтобы основная частота и высшие гармоники оказывались за пределами под­ диапазона рабочих радиочастот колебаний, принимаемых приемником. Кроме того, применяют тщательное электрическое экранирование конструкции второго гетеродина и фильтрацию его цепей питания, а также цепей питания УРЧ и первого смесителя.

Вследствие очень глубоких замираний сигналов на декаметровых волнах действие автоматической регулировки усиления часто оказы­ вается недостаточно эффективным. В этих условиях наряду с АРУ применяют так называемый «разнесенный прием».

В основе методов «разнесенного приема» лежит выделение в не­ скольких аналогичных каналах слабо коррелированных между собой сигналов, несущих одну и ту же информацию, с последующим их сло­ жением или автоматическим выбором лучшего из них. Практическое применение нашли частотный, пространственный и временной способы

разнесения.

. При ч а с т о т н о м р а з н е с е н и и информация передается е помощью двух или более радиосигналов, имеющих разные несущие частоты. П р о с т р а н с т в е н н б е р а з н е с е н и е реализуют, используя несколько антенн, расположенных на расстоянии 5—10длин волн друг от друга, что позволяет принимать сигналы, пришедшие по разным путям. В р е м е н н о е р а з н е с е н и е состоит в неод­ нократной передаче и запоминании принятой информации с последую-

517

щим сравнительным анализом в специальных логических устройствах. Радиоприемные устройства для «разнесенного приема» содержат в своем составе дополнительные блоки, которые обеспечивают формирование результирующего сигнала на основании определенной комбинации принимаемых радиосигналов.

Для снижения уровня промышленных помех приемные устройства магистральной связи вместе с их антеннами направленного действия располагают далеко за пределами промышленных объектов и крупных населенных пунктов на территории радиоприемного центра. Этот центр связан с аппаратным залом телеграфа или телефонной станции группой кабельных линий связи, по которым передаются сигналы, получаемые на выходе приемников. Более подробные сведения об особенностях связных радиоприемных устройств можно найти в [20, 21].

Радиовещательные приемники

Радиовещательные приемники предназначены для приема программ звукового радиовещания. Современные радиовещательные приемники и радиолы, применяемые в быту, по качественным характеристикам делят на пять классов: высший, I — IV. Лучшее качество радиоприема обеспечивают приемники высшего, I и II классов. Приемники III и IV классов, наиболее простые и дешевые, имеют несколько худшие качественные характеристики.

Приемники высшего и I классов представляют собой высококачест­ венные многокаскадные приемники, обладающие высокой избиратель­ ностью, широкой полосой пропускания, улучшенным качеством вос­ произведения и большой выходной мощностью. Все приемники выс­ шего и I классов строят только по супергетеродинной схеме. Рабочий диапазон этих приемников включает длинноволновый (/ = 150-f- -У 415 кГц), средневолновый (/ — 520-У1600 кГц), несколько коротко­ волновых поддиапазонов и ультракоротковолновый (/ = 64,5 -f- -у73МГц) диапазоны. Смену рабочих диапазонов производят, переклю­ чая катушки индуктивности и подстроечные конденсаторы, входящие в колебательные контуры входных цепей, УРЧ и гетеродина.

Диапазоны коротковолновых вещательных радиостанций рас­ пределены по шкале частот весьма неравномерно и в основном, сосре­ доточены в нескольких узких интервалах коротковолнового диапазона. Поэтому вместо одного или двух широких коротковолновых под­ диапазонов в приемник вводят несколько поддиапазонов с малым пе­ рекрытием. Сократить диапазон частот, перекрываемый контурами, можно так же, как и диапазон гетеродинного контура в обычных схе­ мах сопряжения контуров супергетеродинного приемника.

Чувствительность приемников высшего и I классов обычно не хуже 50 мкВ. Дальнейшее повышение чувствительности нерационально, так как атмосферные и промышленные помехи, а также внутренний шум приемника затрудняют высококачественный радиоприем более слабых сигналов. Требуемую избирательность рассматриваемых приемников по соседнему каналу обеспечивают, применяя несколько полосовых фильтров в УПЧ. Как правило, в таких приемниках предусматривают

518

ручную регулировку полосы пропускания, которая позволяет умень­ шить искажения принимаемого сигнала при действии помех на входе приемника. Так как полоса пропускания приемника в основном за­ висит от резонансной характеристики тракта УПЧ, то ее регулируют в каскадах УПЧ. Чаще всего для этого применяют метод изменения связи между контурами полосовых фильтров этих каскадов.

Высокую избирательность по зеркальному каналу и улучшение отношения сигнала к внутреннему шуму приемника получают, при­ меняя один или два каскада усиления по высокой частоте.

На рис. 13.11 показана типовая структурная схема приемников высшего или I класса. Как видно из этой схемы, для ультракоротко-

Рис. 13.11

волнового диапазона имеются отдельные входная цепь ВЦ, УРЧ и преобразователь частоты ПЧ ЧМ. Преобразователь частоты AM сиг­ налов при радиоприеме ЧМ колебаний переходит в режим усиления промежуточной частоты. В целях повышения стабильности частоты гетеродины таких приемников выполняют в виде отдельных каскадов. С этой же целью часто применяют автоматическую подстройку частоты гетеродина. Для борьбы с помехами, частота которых близка к проме­ жуточной, на входе приемника при приеме AM сигналов, как правило, включают режекторный фильтр, настроенный на промежуточную частоту 465 кГц.

В тракте промежуточной частоты имеются две системы колебатель­ ных контуров, одна из которых настроена на стандартную частоту 465 кГц и используется при приеме AM колебаний, а другая — на стандартную частоту 8,4 МГц и используется при приеме ЧМ колеба­ ний. Сигнал с выхода УПЧ в зависимости от вида модуляции при­ нимаемого сигнала поступает на амплитудный или дробный детектор и далее на УНЧ. Точность настройки контролируют электронно-луче­ вым индикатором, который включен после детектора.

Усилитель низкой частоты может быть построен по различным схе­ мам. Часто применяют раздельное усиление низких, средних и вы­ соких частот звукового диапазона с отдельными громкоговорителями, предназначенными для воспроизведения соответствующей части спект­ ра звуковых частот. В УНЧ применяют ручную регулировку усиления и регулировку тембра с помощью отдельных регуляторов, позволяю­ щих изменять частотную характеристику в области низших и высших звуковых частот.

519