книги / Радиоприемные устройства.-1

А

4 П II

Рис. 12.2

При приеме сигналов с ЧМ каскад ПЧАМ применяется как дополнительный каскад УПЧЦМ. Для упрощения УПЧ в нагрузке каждого из усилительных при­ боров включают некоммутируемые фильтры Фцм и Фдм , настроенные на раз­ личные частоты (10,7 МГц и 465 кГ ц ). Фильтры не оказывают взаимного вли­ яния друг на друга, так как сопротивление контуров одного из них на частоте другого пренебрежимо мало из-за их большой взаимной расстройки. Каскады частотного и амплитудного детекторов (ЧД и АД) должны быть разными, так как возможное объединение части их элементов значительных преимуществ не дает.

Для управления РПУ используется блок управления (БУ), который может включать микропроцессор, а также блок отображения информации (БОИ). Шина соединяет БУ и БОИ с блоками УКВ, ДВ-СВ-КВ, а также с общим трак­ том РПУ.

Высокое качество приема на УКВ по системе с ЧМ i позволило внедрить в радиовещание стереофонические передачи, направленные на исключение вли­ яния '"точечности” источника звука, характерной для монофонических пере­ дач. Простейшая стереофоническая система радиовещания содержит два кана­ ла —левый (Л) и правый (П ). Каждый канал начинается с микрофона, кото­ рый размещен соответствующим образом в пространстве по фронту звуковой волны. На приемной стороне следует иметь также два разнесенных источника звука (акустические системы звуковоспроизведения), что позволяет создать у слушателя эффект восприятия направления, в котором находится тот или иной источник звука (например, музыкальный инструмент в ансамбле, актер и т.д.). При добавлении еще двух каналов (так называемая квадрофоническал система радиовещания) появляется практически полная иллюзия нату­ рального возникновения звуков в окружающем приемник пространстве, что создает акустический ’’эффект присутствия” слушателя в месте организации радиовещательной программы.

В СССР принята система полярной модуляции, когда сигналы каналов Л и П преобразуются специальным преобразователем в сигналы разностный (Л - П) и суммарный (Л + П ). Сигнал Л -П модулирует по амплитуде колеба­ ние с поднесущей частотой f m = 31 *25 кГц. Сумма полученного колебания и сигнала Л+П образует полярно-модулированное колебание, у которого огиба­ ющая положительных полуволн содержит информацию о канале Л, а отрица­ тельных полуволн —о канале П (рис. 12.2).

Спектр полярно-модулированного сигнала приведен на рис. 12.3, где

— граничные частоты спектра модулирующих звуковых колебаний.

Л №

Рис. 12.4

Полярно-модулированное колебание в передатчике УКВ радиостанции модули­ рует по системе ЧМ высокочастотный сигнал, который затем излучается ан­ тенной.

Детектирование полярно-модулированного колебания, т. е. выделение сигналов каналов Л и П, проводят с помощью различных методов: поляр­ ного детектирования по огибающей, декодирования с предварительным раз­ делением спектра, временного разделения каналов.

На рис. 12.4, а показана структура двухканального по выходу детектора огибающей: каждый из диодов VD1 и VD2 включен таким образом, чтобы вы­ делить огибающую только положительной или только отрицательной полувол­ ны, Ахфильтры. На рис. 12.4, б показана структура сгереодекодера с предвари­ тельным разделением каналов. ФНЧ выделяет суммарное колебание каналов Л+П, полосовой фильтр (ПФ) - колебание поднесущей, промодулированное сигналом Л —П. После амплитудного детектирования детектором АД, включенным на выходе ПФ, создается сигнал (и - и ) /2, а детектором АД, вклиненным на выходе ФНЧ, - сигнал (пл + нп)/2. Складывая и вычитая по­

низация работы ключа К с коммутируемым сигналом достигается с помощью устройства синхронизации (УС). Колебания мл имп при этом будут содержать импульсы постоянной длительности. Огибающая этих импульсов повторяет за­ кон модуляции каналов Л и П и выделяется детекторами VD1 и VD2. Для ме­ тода характерно высокое качество разделения каналов, однако он относи­ тельно сложен и требует высокой точности синхронизации.

12.1.3. Радиоприемники цифрового радиовещания

Цифровое радиовещание из-за ряда достоинств в будущем станет основ­ ным ввдом радиовещания. Советский Союз одним из первых в мире начал раз­ рабатывать и внедрять систему цифрового радиовещания на УКВ. При цифро­ вом радиовещании на передающей стороне радиоканала происходит преобразо­ вание сигнала в аналоговой форме в сигнал в цифровой форме. Дискретные отсчеты уровней сигнала передаются с помощью двоичного цифрового кода. Основной характеристикой этого кода является необходимое число разрядов (бит). Недостаточное их количество приводит к появлению специфических по­ мех —шумов квантования. Поэтому разрядность кода должна соответствовать условию C/n=61og2Z?, где В - число уровней квантования; СД1 —отношение сигнал/помеха, где под помехой следует понимать шумы квантования.

Если потребовать более высокое качество воспроизведения, т. е. С/П = = 90 дБ, то для В = 1024 необходимо иметь код с высокой разрядностью (15-битовый код). Для сокращения числа уровней квантования целесообраз­ но использовать компрессию сигнала, учитывающую, что шумы проявляются при малых уровнях сигналов. Поэтому шаг квантования следует делать малым для сигналов с небольшим уровнем сигналов и увеличивать его по мере возрастания сигнала, когда шумы квантования практически не проявляются. Такой метод квантования с переменным шагом называется методом нели­ нейного квантования

Полученный сигнал в цифровой форме используется для манипуляции радиопередатчика с помехозащищенными видами модуляции (ФМ,ЧМ и т.д.). Ввиду широкополосности спектров таких сигналов их передают в диапазонах УКВ и СВЧ с помощью наземных радиостанций, имеющих радиус действия в зоне прямой ввдимости, или спутниковых систем со значительно большим ра­ диусом действия (тысячи километров). Прием передачи со спутника могут вести коллективные приемные центры с последующей ретрансляцией. Он мо­ жет осуществляться (в перспективе) и индивидуально с использованием на­ правленной антенны (параболоида диаметром 0,5-1,0 м для частоты 12 ГГц).

Достоинствами цифрового радиовещания являются: 1)высокое качество, особенно если цифровые методы использовать в большинстве звеньев радиове­ щательного канала (после микрофона и до звуковоспроизводящей акустиче­ ской системы); 2) удобство сочетания с другими высококачественными циф­ ровыми системами звукозаписи и звуковоспроизведения; 3) легкость перехо­ да к многоканальному радиовещанию, что позволяет пользователю получить одновременно множество (в перспективе сотни и тысячи) радиовещательных программ высокого качества; 4) повышение потребительских качеств ра­ диовещания, для чего к передаваемому основному сигналу добавляются специальные вспомогательные сигналы-маркеры опознавания передачи (названия радиостанции, государственной и национальной принадлежности, ха­ рактера передачи - музыкальная, для детей, связанная с именами известных композиторов и т д .) . Это позволяет потребителю автоматизировать выбор требуемой программы по различным критериям, получать на экране дисплея информацию о принимаемой программе и тд.; 5) простота одновременной консервации любого числа программ независимо от того, какую программу потребитель воспроизводит в текущий момент времени; 6) удобство согла­ сования с системами радиорелшной, кабельной, спутниковой связи, что поэво-

ляет организовать обмен радиовещательными программами между городами, странами, континентами; 7) возможность построения РПУна базе ограничен­ ного набора типовых цифровых интегральных узлов (см. главу 9).

Таким образом, цифровое радиовещание является технической базой для дальнейшего развития средств массовой информации.

На рис. 12.5 приведена структурная схема перспективного радиовещатель­ ного приемника цифрового радиовещания, соответствующая принципам, из­ ложенным в главе 9. Она содержит аналоговую часть приемного тракта (АЧПТ), декодирующее устройство (ДУ), устройство разделения каналов (УРК), устройство распределения каналов (УРсК), оконечные устройства раз­ личных видов: акустическую систему (АС), звукозаписывающую аппаратуру (ЗЗА), фототелеграфный аппарат (ФА) для воспроизведения текстов газет, новостей, оперативной информации для данного региона и т.д.; программноуправляющее устройство (ПУУ); дисплей отображения информации (Д ),

12.2.Радиоприемники для линий радиосвязи

12.2.1.Особенности радиоприема на линиях радиосвязи

Передача информации по каналам радиосвязи осуществляется практиче­ ски во всем диапазоне частот, освоенном радиотехникой —от сверхдлинных волн (X ~ 104 м) до волн оптического диапазона (Х « 10“6 м ). Как правило, радиосвязь осуществляется с использованием относительно маломощных ра­ диопередатчиков, что обусловлено ограничениями на их массогабаритные и энергетические характеристики (особенно для летательных аппаратов, пере­ носной и мобильной аппаратуры и т.д.). Поэтому для РПУ на линиях радиосвя­ зи характерна высокая реальная чувствительность, использование средств и методов для приема слабых сигналов в условиях действия сильных помех.

Диапазон длинных и сверхдлинных волн характеризуется относительно высоким постоянством уровня сигнала в месте приема, но требует больших мощностей радиопередатчиков и громоздких антенных сооружений. Сверх - длинные волны отличаются малым затуханием при распространении в воде.

Различают следующие виды магистральной связи, т. е. связи на большие расстояния в пределах земного шара: а) радиосвязь на декаметровых волнах, хорошо отражающихся от ионосферы; б) радиорелейная связь на УКВ и СВЧ, при которой осуществляется последовательная ретрансляция сигнала от стан­ ции к станции линии связи (при обычном распространении радиоволн станции размещаются в пределах зоны прямой видимости; при дальнем тропосферном распространении расстояние между станциями может быть существенно уве­ личено) ; в) космическая связь с помощью искусственных спутников Земли (ИСЗ) на СВЧ; г) метеорная связь, использующая кратковременное отраже­ ние радиоволн от метеорного следа (в промежутке между КВ и УКВ) ;д) связь

спомощью оптических каналов —открытых эфирных и световодных.

Сувеличением частоты, используемой на линии радиосвязи, возрастает число одновременно передаваемых каналов с независимыми источниками ин­ формации. Так, для радиорелейной связи и связи с помощью ИСЗ характерна одновременная передача тысяч телефонных каналов, в оптическом диапазоне

волн число каналов может быть существенно больше.

В ряде случаев радиосвязь необходимо обеспечить в условиях нестационарности характеристик канала связи (области распространения радиоволн). Нестационарность особенно проявляется при радиосвязи на декаметровых волнах, тропосферной связи на УКВ и СВЧ. Вследствие нестационарности на­ блюдается хаотическое изменение уровня сигнала в месте приема, что сущест­ венно снижает ее надежность.

Работа ряда систем связи сопровождается также многолучевым характе­ ром распространения радиоволн (см. главу 10). Наиболее неблагоприятные условия, связанные с многолучевостью, наблюдаются в подвижных системах связи, когда уровень сигнала приобретает значительные изменения, а прием сопровождается сильными искажениями.

Для борьбы с нестационарностью канала радиосвязи применяют радиопри­ емные системы (РПС), представляющие собой объединения нескольких РПУ или их функциональных узлов, работающих по определенному алгоритму.

Основными методами борьбы с нестационарностью каналов радиосвязи являются методы, основанные на использовании нескольких различных сиг­ налов, соответствующих одному и тому же источнику информации (методы разнесения приема). В зависимости от способа разнесения различают системы с разнесением по частоте, времени, пространству, виду поляризации волны, углу прихода ее лучей.

В системах, разнесенных по частоте, одно и то же сообщение передается одновременно на нескольких радиочастотах. При разнесении во времени ис­ пользуется передача сообщения с временными сдвигами. Для поляризационно­ го разнесения применяют антенны с определенным законом поляризации при­ нимаемого сигнала, для разнесения по углу осуществляют прием на антенны с разными положениями диаграммы направленности, для разнесения по про­ странству антенны удаляют на некоторое расстояние друг от друга.

Характерной особенностью всех видов разнесения является формирова­

ние на приемной стороне радиоканала нескольких сигналов (s) # соответству­ ющих одному сообщению. Осуществляя дополнительную обработку получен­ ных таким образом сигналов в соответствии с определенным алгоритмом, можно значительно повысить эффективность приема, например уменьшить ве­ роятность его поражения.

Технические трудности разнесения в любом из методов связаны прежде

, то при отсутствии корреляции сигналов в каналах вероятность замирания при разнесении (т. е. использовании s каналов передачи информации)

При наличии корреляции эффективность приема, характеризуемая величи­ ной р , оказывается ниже,чем полученная в соответствии с (12.1). Поэтому во всех случаях следует уменьшать корреляцию разнесенных сигналов, напри­ мер при разнесении в пространстве надо увеличивать расстояние между прием­ ными антеннами по фронту волны более десяти длин волн, при разнесении по частоте - использовать значительный частотный разнос каналов и т.д. Хотя с увеличением s эффективность РПС возрастает, на практике из-за технических и экономических трудностей величина 5 ограничена (чаще всего s = 2 - 3 ) .

Различают следующие основные виды формирования выходного сигнала из элементарных сигналов: 1)’авто выбор сигнала; 2) сложение сигналов.

Приведем краткие сведения об автовыборе и сложении сигналов. Авто­ выбор сигнала из разнесенных сигналов может выполняться с использованием s РПУ, образующих одну РПС, к одного РПУ и s приемных антенн.

На рис. 12.6 приведена структурная схема автовыбора, содержащая одно

т.е. превышает пороговое значение, допустимое для качественного приема, то РПУ работает от /«й антенны в течение всего времени, когда справедливы нера­ венства (12.2) или (12.3).

При невыполнении указанных неравенств происходит поиск другой антен­ ны, удовлетворяющей(12.2) или (12.3). В случае применения условия (12.3) необходимо использовать априорную информацию о помехе или осуществить ее измерение.

На рис. 12.7 приведена структура РПС, содержания s РПУ и антенн. Сиг­ налы с выхода каждого из РПУ поступают на устройство сравнения, а затем в

Рис. 12.6

зависимости от алгоритма управления используются для формирования сигна­ ла в ОУ Для определения текущих характеристик сигнала в каждом из РПУ служит устройство сравнения сигналов (УСС).УправлениеРПСосуществляет­ ся с помощью устройства управления (УУ). Следует заметить, что под РПУ (см. рис. 12.7) понимают тракт, включающий часть РПУ, с выхода которого снимается сигнал, подаваемый на УСС. Это может быть УПЧ, детектор, усили­ тель модулированного колебания. Тогда оставшаяся часть общего тракта от­ носится к ОУ

Возможны различные алгоритмы работы структуры устройства, приведен­ ного на рис. 12.7

1)в зависимости от места приемного тракта, где выделяется обрабатывае­ мый сигнал - до детектора (в УПЧ) и после детектора; первый алгоритм на­ зывается алгоритмом обработки когерентных сигналов, так как требует учета их фазовых характеристик, второй способ — алгоритмом обработки некоге­ рентных сигналов, так как не требует знания фазовых характеристик;

2)в зависимости от способа формирования сигнала в ОУ — на основе принципа автовыбора сигнала и на его основе различных методов сложения сигналов.

Методом автовыбора в УСС осуществляется сравнение в реальном масштабе времени сигналов или отношений С/П на выходе каждого из РПУ, после чего с помощью УУ к ОУ подключается то РПУ, которое обеспечивает наилучшие в определенном смысле характеристики, например, в соответствии

сусловиями, аналогичными (12.2), (12.3), или*

Ут = шахе (С/П). . т е /= 1. ,,,s .

Если в последующий момент времени ЭМО изменится, то произойдет ав­ томатическое переключение входа ОУ к выходу другого РПУ с наилучшими возможными показателями. По сравнению с методом автовыбора антенн (см. рис. 12.6) способ автовыбора РПУ обеспечивает лучшие показатели.

Рис. И .8

Методом сложения сигналы с выходов всех РПУ складываются по определенному закону. В случае линейного сложения до детектора (т.е. вУПЧ) не­ обходимо обеспешть контроль фазы колебания, осуществляя сложение с точностью до фазы. Пример структурной схемы когерентного сложения для сдвоенного приема (5 = 2) приведен на рис. 12.8, а Требуемая точность сло­ жения достигается с помощью следящей системы, включающей устройство сравнения фаз (УСФ) сигналов с УПЧ1 и УПЧ2, а также гетеродина 1\ одного из РПУ (РПУ1), фаза которого изменяется в соответствии с напряжением на выходе УСФ. В зависимости от фазы колебания Г1 изменяется фаза преобразо­ ванной частоты (до совпадения с фазой той же частоты в канале РПУ2).

В структуре, приведенной на рис. 12.8, а , целесообразно объединение сис­ тем АРУ обоих РПУ, так как при разделенных системах АРУ в РПУ с меньшим сигналом будет увеличиваться усиление^ вследствие чего вырастет уровень шу­ мов на его выходе. В случае регулирования в системе с общей АРУ усиление обоих радиоприемных каналов оказывается одинаковым и определяется боль­ шим сигналом.

Возможно также использование метода оптимального сложения сигналов радиоприемников, т. е. сложения с весовыми коэффициентами, зависящими от уровней сигнала и помехи на выходе каждого из РПУ.\ ^

Структурная схема сдвоенного приема с оптимальным сложением приве­ дена на рис. 12.8, б , где показаны каналы выделения шумов РПУ иРПУ2. В анализаторах А1 и А2 происходит определение характеристик сигнала и по­ мехи, после чего в регулируемых усилителях устанавливаются соответствую­ щие оптимальные весовые коэффициенты, в соответствий с которыми в уст-

в

t 6

4

С/П = 2 (С/П). i=i

На рис. 12.9 приведены характеристики выигрыша в отношении С/Ш в за­ висимости от числа разнесений s : 1 — оптимальное сложение; 2 —линейное сложение; 3 — автовыбор. Как видно, использование оптимального сложения не дает существенного выигрыша по сравнению с применением линейного, а способ автовыбора значительно уступает этим методам, поэтому и менее пред­ почтителен.

Следует заметить, что когерентные системы сложения и автовыбора явля­ ются инерционными, поэтому при быстрых замираниях они не успевают следо­ вать за случайными изменениями уровней сигналов. Системы некогерентного последетекторного автовыбора или сложения свободны от этого недостатка, однако для них характерно подавление слабого сигнала помехой (в детекто­ ре). Для совершенствования данного метода иногда применяют нелинейное сложение после квадрирования сигналов с выходов РПУ.

Борьба с многолучевым распространением радиоволн на линиях радиосвя­ зи может вестись способами, аналогичными использованным при радиовеща­ тельном приеме. Кроме того, для подвижных средств связи применяют раз­ несенные антенны, разнос по частоте, компенсационный метод приема, при ко­ тором в тракт вводится сигнал с фазой, противоположной фазе сигнала, появ­ ляющегося вследствие отражения.

В случае дискретных сигналов используется идентификация отраженного сигнала по оценке времени его запаздывания и последующий автовыбор основного сигнала, а также специальные вщ ы сигналов, устойчивых к много­ лучевому распространению (шумоподобные) ,ит.д.

К основным тенденциям развития техники радиоприема на линиях радио­ связи относятся:

1) повышение требований к надежности связи. Вероятность ошибки в не­ которых системах должна составлять не более 10Г4 - 1 ОТ что требует суще­ ственного совершенствования характеристик всей системы и РПУ Эта задача ставится не только для систем, работающих на СВЧ (спутниковых, радиоре­ лейных и космических систем связи), где мал уровень ряда источников по­ мех, но и для диапазонов волн колебаний умеренно высоких частот, где уро­ вень помех велик, а условия распространения радиоволн неблагоприятны. Так, в связи с увеличением в последнее время для дальней связи значения диа­ пазона декаметровых волн как дублирующего для диапазона СВЧ требуется существенно снизить вероятность ошибок и в этом традиционном диапазоне волн. Последнее представляет значительные трудности и может быть решено только на основе широкого внедрения РПС, использования принципов адапта­ ции, статистической обработки сигнала в выходных устройствах, существенно­ го улучшения характеристик радиоприемных устройств и т.д.;

2) переход к скоростным системам связи. Примером в данном случае яв­ ляется метеорная связь, когда сеанс связи длится десятые доли секунды, т.е. равен времени существования ионизированного "следа" метеорных частиц, по­ падающих в атмосферу Земли из космического пространства. След обычно на­ ходится на высоте 90—100 км . Для осуществления метеорной связи необходи­ мо зондирование радиосигналами области, где вероятно появление метеорного ’дождя”. В момент, когда уровень сигнала в РПУ оказывается достаточным для его уверенной работы, происходит скоростная передача потока информа­ ции, накопленной в специальном накопителе. Достоинствами подобных систем являются скрытность и практическая невозможность доступа к передаваемой информации;

3)широкое внедрение принципов адаптации к ЭМО (см. главы 8—11);

4)повышение уровня автоматизации РПУ и РПС.

12,2,2, Радиоприемные устройства магистральной связи в декаметровом диапазоне волн

РПУ магистральной связи могут использоваться как одиночные средства приема, а также в составе РПС. Радиоприемное устройство включает (рис. 12.10) : главный тракт приема (ГТП) ,СЧ,блок управляшя (БУ ), пульт управления и отображения информации (ПУОИ) ,ОУ.

В ГТП происходит предварительная селекция сигналов, двойное или трой­ ное преобразование частоты (ПЧ1 и ПЧ2), усиление и фильтрация на промежу­ точных частотах с помощью фильтров ФПЧ1 и ФПЧ2. детектирование (Д). Синтезатор частот служит для создания сетки высокостабильных дискретных частот с требуемым шагом, в ОУ осуществляется обработка сигналов, в том числе оптимальная.

К параметрам РПУ магистральной связи в декаметровом диапазоне волн предъявляют достаточно жесткие требования: чувствительность должна составлять десятые доли микровольт, избирательность по побочным каналам приема — 120—130 дБ, коэффициент шума —4—10 дБ .относительная неста-