книги из ГПНТБ / Розов В.М. Измерения и контроль в однополосном радиооборудовании

синусоидальное напряжение с уровнем, равным двойному .номинальному уровню на входе телефонно­

го канала при .выключенном ограничителе.

Средняя мощность однополосного передатчика зависит от пикфактора сигнала р и может быть определена по формуле

где p = UmfU3фф; Um и £/Эфф— максимальное и эффективное значе­ ния сигнала огибающей.

Из формулы видно, что средняя мощность передатчика при по­ даче на вход одного синусоидального напряжения с амплитудой, равной амплитуде 100-процентного пилот-сигнала, равна пиковой

(максимальной) мощности, так как для синусоиды р — У 2. При большем пик-факторе, например р = 4 (прибли­ зительно соответствует телефонной работе одним каналом), средняя мощность в 8 раз меньше максимальной.

Пиковая (максимальная) мощность, прихо­ дящаяся на один телефонный канал при работе %тс *передатчика несколькими (W) телефонными ка­

Рис. 2.1 налами, или пиковая мощность одного парциаль­ ного канала при уплотнении телефонного канала передатчика несколькими (N) телеграфными каналами равна при

работе передатчика в линейном режиме (область а на рис. 2.1):

Р 1кмакс—Р 1макс/-Л^2,

входного сигнала большую часть времени превышает Uвхмакс (об­ ласть б на рис. 2.1), мощность, приходящаяся на канал, опреде­ ляется по формуле

Р 1к= Р 1макс/'Л^•

Суммарная мощность парциальных каналов при работе пере­ датчика в линейном режиме равна средней мощности передатчи­

20

от номинала в высокочастотной части диапазона допускается в пределах ±20% (ГОСТ 13420—68).

Важной характеристикой однополосного передатчика или како­ го-либо его каскада, свидетельствующей о его совершенстве, яв­ ляется коэффициент полезного действия (кпд), равный отношению полезной мощности на выходе передатчика к мощности, потреб­ ляемой передатчиком в целом. Улучшение характеристик ламп (повышение коэффициента усиления по мощности, увеличение ли­ нейности и др.), использование более экономичных режимов ламп в каскадах передатчика, повышение кпд колебательных систем передатчика — все эти факторы, связанные с совершенствованием передающих устройств, приводят к повышению кпд этих устройств.

В теории радиопередающих устройств различают несколько подходов к определению кпд. При расчете кпд анодной цепи лам­ пы т]а учитываются полезная мощность, отдаваемая лампой, и мощность, потребляемая ее анодной цепыо. При расчете кпд кас­ када учитываются полезная мощность, отдаваемая каскадом в нагрузку (на выходе колебательного контура), и суммарная пот­ ребляемая каскадом мощность, слагающаяся из мощностей, пот­ ребляемых анодной, накальной и сеточной цепями. При расчете промышленного кпд передатчика учитываются мощность, отдавае­ мая в эквивалент антенны, и суммарная мощность, потребляемая всеми цепями передатчика от электрической сети или других ис­ точников питания.

Кпд анодной цепи лампы определяется статическими характе­ ристиками лампы и режимом ее использования (коэффициентом использования анодного напряжения, коэффициентом формы им­ пульсов анодного тока, током покоя). Кпд каскада, помимо ука­ занных выше факторов, зависит также от кпд анодного колеба­ тельного контура и мощности, потребляемой от источника питания всеми цепями каскада. Промышленный кпд передатчика учиты­ вает потребление мощности во всех каскадах, а также кпд устрой­ ства питания и таким образом зависит от режимов работы всех каскадов передатчика. Для современных передатчиков тумаке обычно 60—75%, промышленный же кпд для двухканальных пере­ датчиков едва достигает 25—35%.

Все приведенные выше определения кпд применимы непосред­ ственно для лампы, каскада или передатчика, работающих в не­ изменных стационарных режимах, когда выходные и потребляемые мощности и, следовательно, кпд постоянны во времени. Примером передатчика, работающего в стационарном режиме, является пе­ редатчик с частотной модуляцией.

При однополосной модуляции амплитуда группового сигнала, подлежащего усилению, не остается постоянной, и в соответствии ■с нею изменяются во времени выходная и потребляемая мощности и кпд. Вполне естественно, что при этих условиях само понятие кпд передатчика, каскада или лампы оказывается чисто условным [16]. По-видимому, в связи с этим в ГОСТ на передатчики для ма­ гистральной связи [2] эта характеристика оказалась исключенной.

212

а в упомянутой выше работе [16] рекомендуется энергетическую эффективность передатчика оценивать за какой-то промежуток времени по показаниям электрических счетчиков полезной и пот­ ребленной энергий. Наконец, в ряде случаев производились расче­ ты или измерения кпд однополосного передатчика в максимальном режиме и по полученному значению делалось суждение о совер­ шенстве или несовершенстве передатчика.

Все это говорит лишь о том, что пока нет общепринятой мето­ дики измерения кпд однополосных радиопередатчиков, отражаю­ щей возможно полно рабочие свойства передатчика при реальных передаваемых сигналах и исключающей субъективность оценок результатов измерений. Сейчас возможно лишь высказать некото­ рые соображения, которые должны быть учтены при разработке методики измерения кпд однополосных радиопередатчиков.

1. Поскольку в рабочих условиях амплитуда группового сигна­ ла и кпд каскада или передатчика, как правило, являются случайт ными функциями времени, то для однозначности результатов сле­ дует измерять либо среднее значение кпд, либо среднее значение какой-либо функции кпд. Сведения, которые несет среднее значе­ ние кпд, с учетом обычной монотонности графика кпд при измене­ нии амплитуды группового сигнала достаточно полно характери­ зуют передатчик как преобразователь энергии, потребляемой изсети, в энергию токов вч.

2. При изменении характера группового сигнала (изменяются, например, число каналов, амплитуды сигналов в каналах и т. д.) изменяется и среднее значение кпд. Поэтому для получения одно­ значных результатов необходимо установить, при каком групповом сигнале должны производиться измерения.

На основе исследований ({17], {18], [19] и т. д.) результаты кото­ рых сводятся к тому, что групповой сигнал многоканального одно­ полосного передатчика при загрузке всех или части его каналов телефонными и телеграфными сигналами имеет распределение плотности вероятности амплитуд W(Urp), близкое к рэлеевскому закону, целесообразно принять в качестве эталонного испытатель­ ного сигнала гармонический сигнал, амплитуда.которого так из­ меняется во времени от нуля до \UMаКс, что за время измерения каждое значение амплитуды длится пропорционально значениюплотности вероятности этой амплитуды. Указанное изменение ам­ плитуды эталонного сигнала может быть непрерывным или дис­ кретным и может производиться с помощью электрического или механического устройства.

2.2.Полосы каналов передатчиков и приемников

Как указывалось в гл. 1, ширина полосы телефонного канала выбрана равной 3100 Гц (300—3400 Гц) для внутрисоюзных свя­ зей и 2750 Гц (250—3000 Гц) для международных.

Для передатчиков, выпускаемых в СССР, ГОСТ 13420—68 {2],. установлены следующие требования:

23-

1.Радиопередатчики мощностью 1 кВт должны обеспечивать работу одним-двумя телефонными каналами с шириной полосы 300—3400 Гд или 250—3000 Гц (или обе ширины полосы).

2.Радиопередатчики мощностью 5 кВт и выше должны обес­ печивать работу одним-двумя телефонными каналами с шириной полосы 300—3400 Гц каждый и одним-четырьмя каналами с ши­ риной полосы 250—3000 Гц каждый. Таким образом, максималь­ ное число телефонных каналов в радиопередатчиках с шириной полосы 300—3400 Гц может быть только два.

Врадиопередатчиках необходимо различать ширину полосы пропускания канальных фильтров, которая должна отсчитывать­ ся на уровне 3 дБ по амплитудно-частотной характеристике этих фильтров, а также параметры радиоизлучения, связанные с шири­ ной полосы и спектром радиоизлучения и определяемые по выход­ ному излучению передатчика. К таким параметрам относятся: необ­ ходимая ширина полосы, ширина занимаемой полосы и спектр из­ лучения за пределами необходимой ширины полосы (внеполосное излучение). Приведем их определения согласно [1], [3].

мощности равняются каждая 0,5% всей средней мощности данно­ го излучения. Другими словами, это ширина полосы частот излу­ чения, содержащая 99% всей излучаемой мощности.

Необходимая ширина полосы — минимальная ширина занимае­ мой полосы, достаточная при данном классе излучения для обес­ печения передачи сообщений с такой скоростью и такого качества, которые требуются для системы, используемой при определенных условиях. Излучения, полезные для нормального действия аппа­ ратуры, как, например, излучение пилот-сигнала, соответствующее системам с ослабленной несущей, должны включаться в необхо­ димую ширину полосы.

Спектр внеполосного излучения — часть энергетического спект­ ра излучения, находящаяся за пределами необходимой полосы, за исключением побочных излучений на частотах, удаленных от гра­ ниц необходимой ширины полосы, таких, как гармоники, некото­

На рис. 2.2а приводится спектр несовершенного излучения, для ко­ торого занимаемая полоса частот оказывается шире необходимой. На рис. 2.26 приведен спектр совершенного излучения, для кото­ рого необходимая и занимаемая полосы совпадают. На рис. 2.2в приводится спектр излучения, для которого занимаемая полоса оказывается уже, чем необходимая.

Значения необходимой ширины полосы излучений ВП рассчи­ тываются по формулам, учитывающим режим работы, класс излу­ чения, скорости манипуляции и частоты модуляции [1], (3]. Приве­ дем некоторые примеры: а) радиотелефония, одна боковая полоса

34

мальная девиация частоты, Ут — скорость телеграфирования, т — индекс частотной манипуляции.

Нормы на занимаемую ширину полосы Взан устанавливаются по формулам [3] в зависимости от режима работы. Например, для

F1 при т ^ . 5 0 3ан=0П'± Г м, при т > 5 B3Bn= Bn±2FM (FM— ча­ стота манипуляции, равная 0,5УТ), для АЗА, АЗВ, АЗН, A3J Взан= = ВП(1+АВ), где АВ — допуск на расширение занимаемой полосы, ДВ = 0,15 для АЗА и АЗН (Вн = 300 Гц, Вв = 3400 Гц), для A3J

ДВ = 0,3.

Нормы на спектры внеполосного излучения определяются так­ же в зависимости от режима работы [1], [3].

Удовлетворяя требование согласования характеристик отдель­ ных звеньев в однополосных системах связи, приемные устройства строят с числом независимых телефонных каналов 1—2 при ши­ рине полос этих каналов 300—3400 Гц для внутрисоюзной радио­ связи и с числом независимых телефонных каналов 1—4 при ши­ рине полос этих каналов 250—3000 Гц для международной радио­ связи |[4].

В ряде приемных устройств иностранных фирм реализуются два широких телефонных канала с полосами 100—6000 Гц. В случге использования такого приемника для работы в четырехканаль­ ной системе к нему добавляются дополнительные устройства, раз­ деляющие сигналы, принятые в широких каналах, на два канала с полосами 250—3000 и 3250—6000 Гц и транспонирующие затем сигналы второго канала в полосу 250—3000 Гц.

Размещение всех телефонных каналов и их полосы определя­ ются характеристиками высококачественных разделительных (обычно кварцевых) фильтров. Выделение пилот-сигнала произ­ водится из принятого общего сигнала фильтром пилот-сигнала.

Для того чтобы амплитудно-частотные характеристики всех те­ лефонных каналов приемника не ухудшались из-за недостаточной

25

ширины полосы фильтров в предварительных каскадах приемника (УВЧ, УПЧ), полосы пропускания их выбирают заметно шире полосы, требуемой, например, для передачи по четырем телефон­ ным каналам. Попадая в эти расширенные полосы, шумовые сиг­ налы и сигналы соседних по частоте станций вызывают из-за не­ которой нелинейности характеристик ламп и транзисторов допол­ нительные мешающие сигналы на выходе приемника.

2.3.Нелинейность амплитудной характеристики и нелинейные искажения

При прохождении сигналов, в том числе и однополосных, по групповому тракту радиопередатчиков и радиоприемников нели­ нейность сквозной амплитудной характеристики этих трактов вы­ зывает разнообразные нелинейные эффекты. Интенсивность этих эффектов зависит от степени нелинейности характеристики, кото­ рая, в свою очередь, зависит от типов и режимов работы приме­ ненных ламп и транзисторов, от их загрузки, от внутреннего сопро­ тивления источников питания и др.

Чаще всего нелинейные эффекты рассматривают и оценивают лишь по нелинейным искажениям, поскольку другие проявления этих эффектов (например, изменение амплитуды полезного сигна­ ла), как правило, несущественны. В зависимости от вида ампли­ тудной характеристики нелинейного устройства или, в частности, группового тракта все нелинейные искажения разделяют на искажения из-за одностороннего ограничения, из-за двусторонне­ го ограничения, из-за центральной отсечки и нелинейные частото­ зависимые искажения.

В зависимости от характера входного сигнала (гармонический, амплитудномодулированный, многочастотный и др.) нелинейные ис­ кажения на выходе нелинейного устройства разделяют на гармо­ нические искажения, когда образуются дополнительные состав­ ляющие в спектре выходного сигнала на частотах, кратных частоте выходного сигнала, и комбинационные искажения, когда в спектре выходного сигнала образуются дополнительные составляющие (компоненты, продукты) с частотами m fi± n f2 в случае двухчас­ тотного исходного сигнала или с частотами tnfi<±nf2±,Lf3 в случае трехчастотного исходного сигнала и т. д. Здесь 1/ 1, f2, /з — частоты компонент исходного сигнала, а т, п, I могут принимать любые целые значения: 1; 2; 3 и т. д. Амплитуды нелинейных продуктов определяются не только амплитудами составляющих исходного сигнала и характером нелинейности амплитудной характеристики тракта, но также соотношениями амплитуд составляющих исход­ ного сигнала и порядком рассматриваемой компоненты.

В литературе, пожалуй, одинаково часто встречаются и другие названия для дополнительных составляющих в спектре выходного

26

ионические искажения, нелинейные переходные искажения. В этой книге, ниже, дополнительные составляющие спектров на выходе передатчика будут называться либо составляющими, либо продук­ тами. Для характеристики способа появления их по мере необхо­ димости будут использованы определения: линейные, нелинейные, переходные. Последнее определение будет относиться к тому слу­ чаю, когда изменение одного или нескольких парциальных сигна­ лов (относящихся к одному или нескольким каналам и входящих в групповой сигнал) из-за нелинейности амплитудной характери­ стики группового тракта приводит к появлению каких-то измене­ ний, искажений в остальных, входящих в групповой сигнал, пар­ циальных сигналах, относящихся к другим парциальным каналам. Иногда также для большей определенности расположения рас­ сматриваемой составляющей в спектре выходного сигнала будем показывать также ее порядок: продукт пятого порядка и т. д.

Наконец, термин «искажения» с определениями: нелинейные, гармонические, переходные, й-го порядка и т. д. — будет приме­ няться в основном в тех случаях, когда необходимо отметить изме­ нение первоначальных сигналов (или в исходном групповом сигна­ ле) при прохождении их через нелинейное устройство. Определе­ ния же, которые будут использоваться вместе с термином «иска­ жения», будут подчеркивать либо характер причины появления искажения (нелинейные из-за центральной отсечки и т. д.); либо отличительные признаки составляющих спектра выходного сигна­ ла, которые могут рассматриваться как главное следствие наблю-.

из-за нелинейности этого тракта обогащается дополнительными гармоническими составляющими. Часть этих дополнительных со­ ставляющих остается в полосе канала. Они вместе с полезным

в передатчиках. Эти составляющие находятся вне полосы частот передаваемых сигналов и относятся к группе побочных излуче­ ний. Они создают помехи для приема других радиостанций веща­ ния и телевидения.

Величина гармонических искажений в низкочастотном тракте оценивается среднеквадратичным коэффициентом гармоник (в ли­ тературе встречается еще название коэффициент нелинейных иска­ жений кни), равным отношению среднеквадратичной суммы ам­ плитуд напряжений гармоник к амплитуде напряжения первой гармоники при подаче на вход устройства напряжений одной ча­ стоты. Коэффициент гармоник обычно выражается в процентах:

У и \ + и\ + и\ + ...

1 0 0 % .

27

Применяемые на практике измерители нелинейных искажений (ИНИ) оценивают кни или коэффициент гармоник в соответствии с формулой

(2 . 1)

Различие результатов измерений по приведенным выше фор­ мулам составляет около 1,3% при Яд, = 20% и очень быстро умень­

шается с уменьшением величины Яд.

Коэффициент гармоник в вч устройствах обычно измеряют при помощи измерительных приемников, селективных вольтметров или анализаторов гармоник. При этом, как правило, измеряют порознь амплитуду напряжения основной частоты и амплитуды напряже­ ний второй, третьей гармоник. Коэффициент гармоник рассчиты­ вают по формуле Яд =Uo/Uь поскольку из-за избирательных

свойств нагрузки очень часто имеют место неравенства: £/з<сН2; £/4< t /2 н т. д.

В типовых передатчиках и приемниках коэффициент гармоник нч трактов обычно ниже 1—2%. Коэффициент гармоник на выхо­

интермодуляционные искажения, продукты взаимной модуляции, нелинейные переходы, невнятные искажения).

Комбинационные искажения возникают при наличии двух и более гармонических колебаний во входном сигнале нелинейной системы. Рассмотрим эти искажения на примере нелинейного пре­ образования суммы двух синусоидальных колебаний. Для анали­ за комбинационных продуктов подадим на вход нелинейного уст­ ройства (например, групповой тракт передатчика или приемника) два синусоидальных сигнала с амплитудами напряжения L/i и U2и

Ha выходе нелинейной системы в этом случае появятся состав­ ляющие основных сигналов с частотами ,coi и со2 и богатый спектр комбинационных продуктов с частотами вида пап±та, где п, пг=

= 1. 2 , З...

Часто оказывается удобным аппроксимировать амплитудную характеристику нелинейного устройства y = f(uBX) полиномом Я-й степени:

N

( 2. 2)

й = 0

где аь. — коэффициенты аппроксимирующего полинома.

28

линейного устройства будут иметь место следующие составляю­ щие:

а) исходные составляющие (вторая графа); б) составляющие, появившиеся из-за наличия квадратичного

частоты находятся выше и ниже полосы исходных сигналов. Эти сигналы не будут создавать помех в полосе исходных сигналов, не будут оказывать помехи вне этой полосы (входят в группу так называемых побочных внеполосных излучений). Остальные со­ ставляющие относятся к группе побочных излучений;

в) составляющие, появившиеся из-за наличия в аппроксими­ рующем полиноме члена в третьей степени (2.2) (четвертая гра­ фа).

Составляющие с частотами оц и со? попадут в рабочую полосу и вызовут искажения в виде изменения амплитуды исходных сиг­ налов. Составляющие Зсоь Зшг', 2coi-Ьшг, 2co2+ ,a>i и т . д . ( с м . рис. 2.36) не создадут помех в рабочей полосе.

Составляющие 2coi—шг и 2ш2—соi попадут в рабочую полосу частот и будут вызывать искажения. Они могут попасть в полосы соседних каналов (см. рис. 2.3в). При наличии во входном сигна­ ле трех и более компонент этого вида комбинационные составля­ ющие попадают и в полосу исходных сигналов, вызывая помехи не только в соседних каналах, но и в исходном. В этом случае можно говорить о помехах переходного и непереходного характе­ ра. Эти искажения называют нелинейными искажениями третьего

порядка; г) составляющие, появившиеся из-за наличия в аппроксимирую­

щем полиноме (2.2) члена в четвертой степени (пятая графа), на­ ходятся выше и ниже рабочей полосы и не вызовут искажений

29