книги / Радиоприемные устройства.-1

интерфейса (И), в котором осуществляется распределение информации от РПУ для анализа в БОНУ и от БОНУ —к органам электронного управления РПУ (ключам, варикапам и т.д.). Способ представления информации в цепях анализа и управления зависит от вида РПУ, которое может быть предназначено для приема аналоговых или цифровых сигналов. Однако даже для РПУ анало­ говых сигналов предпочтение следует отдать цифровому методу обработки ин­ формации и управления РПУ. С помощью генератора опорных колебаний осу­ ществляется работа СЧ, а также АЦП (ЦАП) и т.д. Отдельные узлы БОНУ свя­ заны шинами передачи данных.

Приведем краткую характеристику основных функций БОНУ:

а) сбор и обработка информации, поступающей от пользователя РПУ. Это прежде всего информация о настройке РПУ на заданный радиоканал, частота которого вводится в БОНУ с помощью тастатуры (Т) путем набора значения частоты канала или его условного номера. Сбор информации произ­ водится также автоматически в соответствии с программой частотной пере­ стройки РПУ во времени или алгоритмом частотной адаптации, записанном в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). На рис. 9.33 введены следую­ щие условные сокращения: П —программное устройство, СН —синтезатор на­ пряжений, подаваемых на элементы частотной перестройки и коммутации. По­ мимо указанных частотных режимов настройки допускается режим автомати­ ческого поиска.

Пользователем может вводиться также информация о виде модуляции (кодирования) сигнала. В соответствии с командами, занесенными в опера­ тивное запоминающее устройство (ОЗУ), осуществляется коммутация соот­ ветствующих цепей (фильтров, детекторов и т.д.) или перестройка цифровых фильтров. Вероятно, что в режиме автопоиска сигнала модуляция его априор­ но не известна (например, моноили стереопередача в радиовещании). В этом случае на основе дополнительной обработки самого сигнала или анализа мар­ керных сигналов определяется вид модуляции с отображением результата на экране дисплея;

б) сбор и обработка информации об ЭМО при радиоприеме включает прежде всего индикацию и измерение уровня сигнала в тракте основной изби­ рательности. Так как прием сопровождается изменением коэффициентов пере­ дачи звеньев РПУ за счет действия АРУ, необходимо учесть это при пересчете уровня, относимого ко входу РПУ. Возможно также обнаружение помех прие­ му в полосе преселектора. Измерение групповой мощности осуществляется соответствующими измерителями в отдельных сечениях тракта: на входе, на выходе входной цепи, УРС, первого ПЧ и т.д. Для измерения используются квадратичные милливольтметры и АЦП, или устройства на основе принципа уровневого компаратора;

в) сбор и обработка информации о характеристиках функционирования РПУ и качестве приема. Для функции частотной настройки РПУ предполагает­ ся определение точности настройки на заданный радиоканал с последующим включением системы АПЧ (аналоговой или цифровой). Возможно также при­ ближенное определение в реальном масштабе времени отношения С/Ш. Так как для этого строго необходимо разделение в тракте сигнала и шума из их смеси, что не всегда возможно, то следует использовать априорную информа­ цию о величине шума РПУ на каждой частоте приема, занесенной в память

ПЗУ. Если уровень внешних шумов невелик, то в смеси сигнала и шума ока­ зывается известным один из компонентов - мощность шумаРПУ (Ш) , откуда находится второй —мощность сигнала (С ), а затем требуемое отношение С/Ш. Информация о внешних шумах оказывается менее достоверной, однако в не­ которых случаях ее компоненты известны: например, в бортовых РПУ уро­ вень радиопередатчиков позволяет достаточно просто определить уровень их шума, являющегося помехой для РПУ;

г) контроль (диагностика) работоспособности РПУ Эта функция преду­ сматривает не только контроль режимов основных электронных компонентов (узлов) по постоянному току, но и периодическое или выборочное (перед использованием РПУ) измерение его основных параметров (чувствительности, избирательности, уровня шумов, искажения сигнала и т.д.). С этой целью используется специальный генератор тестовых сигналов, включаемый на вход РПУ или его функциональных узлов;

д) аппаратурная оптимизация и адаптация РПУ. В процессе I работы РПУ может изменяться ЭМО: уровни и частотные распределения станционных по­ мех, внешних и внутренних шумов. Кроме того, в процессе перестройки РПУ меняются его основные характеристики и параметры. Поэтому возникает зада­ ча адаптации (приспособления) характеристик РПУ к текущей ЭМО;

е) прогнозирование качества приема и требуемых характеристик РПУ. Эта функция осуществляется на основе анализа временного изменения параметров ЭМО в прошлом, а также некоторой априорной информации. Цель прогнозиро­ вания — определение более выгодных режимов работы РПУ, на которые оно должно перейти, а также своевременная выдача предупреждений пользователю о возможном ухудшении (улучшении) качества.

Управление РПУ осуществляется с использованием электронных систем настройки, подстройки, регулировки усиления или чувствительности, защиты от помех, согласованных с микроцроцессором.

Дисплей дает возможность постоянно или по целевому вызову пользова­ теля отображать разнообразную информацию о работе РПУ, состоянии ЭМО, прогнозе и т.д. Объем информации должен определяться на основании требо­ ваний эргономики индивидуально в каждом конкретном случае. Возможно документирование информации, в том числе посредством ОЗУ.

Очевидно, что ряд функций микропроцессорной обработки и управления РПУ принципдально не может быть решен с помощью ручного управления (ра­ диослушателем или оператором). Это объясняется не только необходимостью осуществления большого числа операций и вычислений в реальном масштабе времени, недоступных человеку, но и характером решаемых задач (многопараметровый анализ и синтез требуемых параметров и crpyKiyp, фильтров, сис­ тем защиты, в том числе с адаптацией к ЭМО, прогнозный анализ и др.). Та­ ким образом, микропроцессорное управление РПУ характеризует новую каче­ ственную ступень развития техники радио приема, которую можно назвать при­ емом с использованием элементов "искусственного интеллекта” .

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ И ПОВТОРЕНИЯ

9.1. Почему цифровые, методы обработки сигналов и управлшия находят все более широкое применение в РПУ? 9.2. Нарисуйте возможные структуры РПУ с цифровой об­ работкой и управлением, укажите их особенности, области применения. 9.3. Поясните

особенности АЦП для РПУ. 9.4. Поясните структуры цифровых фильтров и их отличия. 9.5. Приведите примеры использования цифровых фильтров в РПУ. 9.6. В чем заключают­ ся отлжия цифровых методов АРУ в РПУ от аналоговых? 9.7. Поясните принцип действия и подходы к анализу цифровой ФАПЧ. 9.8. Какие факторы определяют эффективность ФАПЧ? 9.9. Укажите способы синтеза частот для гетеродинов РПУ, поясните их преиму­ щества и недостатки. 9.10. Какие требования предъявляются к синтезаторам частот в РПУ? 9.11. Как осуществляется демодуляция сигналов с AM и ЧМ при использовании цифровых методов? 9.12. Поясните принципы действия цифровой АПЧ гетеродина в РПУ. 9.13. Приведите пример системы цифрового отсчета частоты настройки в РПУ. Поясните, как она работает. 9.14. Каковы области применения микропроцессора в РПУ?

10. ОСОБЕННОСТИ РАДИОПРИЕМА СИГНАЛОВ С РАЗЛИЧНЫМИ ВИДАМИ МОДУЛЯЦИИ

10.1.Радиоприем сигнала с AM

10.1.1.Искажения сигнала с AM в процессе многолучевого

распространения радиоволн

Несмотря на относительно невысокую помехоустойчивость по сравнению с угловыми видами модуляции (ЧМ и ФМ), амплитудная модуляция (AM) на­ ходит достаточно широкое применение из-за простоты реализации как на пере­ дающей, так и приемной стороне радиоканала. Структура РПУ с AM аналогич­ на структуре, приведенной на рис. 1.5, б , где полоса пропускания ТПЧ должна соответствовать ширине спектра AM-сигнала. Рассмотрим особенности приема сигналов с AM, а именно: их искажения в процессе распространения радиоволн и в радиоприемном тракте, а также подавление сильным сигналом помехи в детекторном каскаде. Одновременно определим пути улучшения качества при­ ема сигналов с AM.

Распространение радиоволн в ионосфере (на умеренно высоких частотах) и тропосфере (на УКВ и СВЧ) может сопровождаться многолучевостью, в ре­ зультате чего в место приема от одного источника (радиопередатчика) прихо­ дит несколько колебаний. Так как при многолучевости радиосигналы имеют различные траектории, то их амплитуды и временные сдвиги в месте приема могут отлжаться.

Учтем эти отличия на примере двухлучевого распространения радиоволн, когда в месте приема колебания лучей (г) и и2 (г) имеют вид:

и , й в ^ ( 0 с « ы вг;

где UmQ — амплитуда несущего колебания; тп - коэффициент глубины мо­ дуляции.

Подставляя (10.2) в (10.1), после преобразований находим выражение для спектра суммарного колебания

«(О = ut (t) + u2 (t): u(t) = Um0cosu)0t + aUm0coso)0 (t ~ т) +

Анализируя (10.3), получаем следующие выводы: 1) несущие колебания лучей й ^ ю т фазовый сдвиг относительно друг друга, равный coQr; 2) нижние боков$|£ колебания лучей с частотой со0 - £2 сдвигаются на угол (coQГ2)т , в е р х н ^ б ^ о в ы е колебания лучей с частотой со0 + £2 - на угол (оо0 + £2)т

М^гаду’спектром сигнала u(i) и его временной характеристикой существу­

код^аЛ^>#й^частоте £2 посиедетектирования. Одновременно с этим возмож­ но ДЬЯвлрйё нелинейных искажений. Действительно, если фазовый сдвиг сoQr = п и.л = 1, то амплитуда результирующего несущего колебания обраща­ ется В. нуль и на выходе детектора будет присутствовать только одно колеба­ ние, частота которого равна разности частот боковых колебаний, т.е. 2£2. Та­ ким образом, двухлучевость сигнала может привести к сильным нелинейным искажениям.

Явление частотно-зависимого изменения амплитуд и фаз составляющих спектра сигнала в процессе многолучевого распространения называется селек­ тивным ^амиранцем. Признаком таких замираний является не только измене­ ние выходного уровня, но и возникновение частотных и нелинейных искажений в законе Модуляции. Так как процесс многолучевого распространения радио­ волн имеет нестационарный характер, то искажения также являются нестацио­ нарными.

Для уменьшения влияния Многолучевого распространения следует исполь­ зовать направленные приемные антенны, способные выделить один из лучей, а также осуществить адаптивный автовыбор луча с наибольшим уровнем сигна­ ла в текущий момент времени. Следует обратить внимание на то, что АРУ в РГ1У не Способна исключить искажения при селективных замираниях. Поэтому эффективным способом их уменьшения является переход к более узкополос­ ным модулированным сигналам, например использованию однополосной амплитудной модуляции вместо двухполосной.

10.1.2. Искажения сигнала с AM в избирательном тракте радиоприемных устройств

Полоса пропускания радиоприемного тракта может быть меньше ширины спектра принимаемого сигнала. При этом различают два случая: спектр сигна­ ла симметричен относительно АЧХ и ФЧХ тракта и спектр сигнала асимметри­ чен вследствие, неточной настройки РПУ, в результате чего преобразованная частота со в тракте УПЧ не равна промежуточной частоте соп.

, При симметричном расположении спектра происходит изменение уровня боковых составляющих относительно несущего колебания, что эквивалентно уменьшению Глубины модуляции. Вследствие этого проявляются типичные частотные искажения, выражающиеся в "завале” характеристики верности воспроизведения РПУ в области верхних модулирующих частот. Любое суже­ ние полосы пропускания УПЧ по сравнению с шириной спектра АМ-сигнала

2Цпах * где Цьах ~ максимальная частота модуляции, приводит к частотным искажениям, поэтому полоса пропускания тракта приема должна быть не менее 2ПтаХ „

Влияние расстройки РПУ сказывается следующим образом. Если ФЧХ

тракта имеет вид идеальной характеристики, т.е. пропорционально со , то все составляющие спектра модулирующего сигнала будут сдвинуты на одно и то же время г = d y /d u и форма колебания изменена не будет. Однако если ФЧХ отклоняется от идеального линейного закона, то временные сдвиги от­ дельных частотных составляющих спектра модулирующего сигнала будут раз­ личными, что вызовет изменение формы колебания после детектора.

10.1.3. Искажения сигнала с AM из-за нелинейности высокочастотного тракта

Характеристики электронных приборов радиотракта РПУ для малых сигналов являются линейными. Однако при увеличении их уровня следует учесть нелинейность характеристик электронных приборов. Пусть в рабочем диапазоне частот инерцией тракта можно пренебречь и характеристика его оператора передачи ’^ход-выход” может быть представлена рядом Тейлора (см. п. 2.1.4):

где К. - коэффициенты ряда Тейлора; и - входное напряжение.

Q

Полагая, что сигнал на частоте coQ модулирован по амплитуде, т. е. и = = Um (t)coscj0t , из (10.4) получаем выражение для напряжения, выделяемо­ го в колебательной системе на выходе преселектора, т. е. на той же частоте а>0*.

■ W , - Ч . <0 * 1 о т‘ « ) ♦ •••> “ •<■>,< • (10.5)

После подстановки ( 10.2) в (10.5) находим напряжение огибающей выходно­ го сигнала и коэффициент гармоник огибающей, учитывающий вторую гармо­ нику частоты £2:

Таким образом, по величинам коэффициентов передаточной характери­ стики УРЧ К и К 3 (см. (10.4)) можно определить искажения проходящего через него AM-колебания.

Приведем расчет величин нелинейных искажений для УРЧ с линейной от­ рицательной обратной связью (ЛООС) по току. На рис. 10.1, о модель УП представлена системой уравнений

учитывающей нелинейность характеристик входного тока i = / 2(и() и выход­

и, следуя методике, приведенной в п. 2.3.4, выделим параметры ассоциирован­ ной линейной цепи УП GQ1 и GQ2 , а также "нелинейные источники", уравнения которых приведены в табл. 2.4, где G t “*G U,G ; G2 -►G^ , G22 . Тогда мо­ дель тракта представляется линейной ассоциированной цепью (рис. 10.1, 6) с параметрами GQ1 и G ^ , а F .KB С^1Куб) соответствуют значениям, приведен­ ным в табл. 2.4; G.. берутся из (10.8), (10.9).

Решая уравнения вида (2.56) и (2.57) для схемы, приведенной на рис.10.1, с помощью ЭВМ, находим К %и К , затем характеристики динамического диа­ пазона по искажениям второго ф ) и третьего ф 21) порядков (рис. 10.2), при этом нижняя граница определяется уровнем собственных шумов УП типа ГТЗ13 (/ = 1 мА). Для удобства на рис. 10.2 представлены также характери­ стики коэффициента шума каскада К т в функции £ = 1/Лгб , рассчитанные в соответствии с выражениями п. 2.3.3 при разных глубинах ЛООС А = 1 +

+Я G

О21 е

Как следует из рис. 10.2, с ростом глубины ЛООС А значения D. увеличи­ ваются, однако при этом растет коэффициент шума УРЧ/С , что объясняется внесением дополнительных шумов резистора обратной связи R 0 . Пользуясь характеристиками, аналогичными приведенным на рис. 10.2, можно компро­ миссно выбрать глубину ЛООС, удовлетворяющую величинам К и D. .

ЮЛА. Подавление в детекторе АМ-сигналов слабых помех

Из-за недостаточной избирательности РПУ в условиях сложной ЭМО поме­ ха в линейном тракте приема не всегда может быть полностью подавлена. В ре­ зультате на входе детектора возникает сумма колебаний близких частот:

помехи. Векторная и временная диаграммы возникающих биении соответству­

Так как AM-детектор реагирует на амплитуду огибающей колебания x ( t ) , то необходимо определить закон ее изменения. Как следует из (10.10), ампли­

Если £/гп п « Umс ,то и з (10.11) получаем

tи т п

1+ 2 ------ cosfi.f

Uтс 6

и т п

или после разложения в ряд по степеням малого члена 2 —— cos £l6t

где т б= ^ п п /^m c ~~ коэффициент глубины модуляции сигнала помехой. Таким образом, в соответствии с (10.12) при малой помехе по сравнению

с сигналом закон изменения амплитуды огибающей оказывается гармониче­ ским и имеет частоту £2б = | соп - coj

Если детектор для частоты £1б безынерционен, т. е. постоянная времени цепи его нагрузки удовлетворяет неравенству (6.47), где ftmax = >и часто­ та Г2б находится в области слышимого спектра звуковых колебаний, то при­ ем полезного сигнала будет сопровождаться свистом с частотой $2б. Если раз­ ность частот сигнала помехи фиксирована (например, помеха является поме­ хой от соседней по частоте радиовещательной станции, т. е. Лб —разностная частота несущих колебаний), то ее можно подавить дополнительным режекторным фильтром, настроенным на частоту 12б . Вследствие обычно имеющей­ ся избыточности информации в спектре полезного сигнала частотное искаже­ ние его оказывается мало заметным на слух.

Представим далее, что сигналы 1/ ( 0 и Um n(t) модулированы по амп­ литуде. Для того чтобы выяснить результат воздействия друг на друга двух модулированных колебаний, представим ( 10.11) следующим образом: