книги / Радиоприемные устройства.-1

оптимизации характеристик*РПУ целесообразно, чтобы Q устремилось к еди­ нице.

Анализ характеристик, аналогичных представленным на рис. 2.10, 2.11, а также соответствующих выражений для Fn/. показывает, что зависимость ста­ тистических характеристик приема в функции от вектора соответствующих

Рис. 2.12

параметров РПУ q для заданной ЭМО (qc , q n) имеет выраженный пороговый характер. Это легко объяснить следующим: при улучшении параметра и дости­ жении ’’незаметности” мешающего эффекта от помехи (что соответствует критическому значению q Kp) дальнейший рост параметра практически не ска­ зывается на качестве приема (рис. 2.13, а). Поэтому чрезмерное улучшение параметров РПУ не повышает качество приема и приводит лишь к неоправдан­ ным затратам.

При усложнении ЭМО и соответствующем изменении вектора параметров помех q n может произойти ухудшение качества приема, что также носит по­ роговый характер (рис. 2.13, б).

Свойство произведения характеристик с выраженными пороговыми зави­ симостями (рис. 2.14) позволяет сделать вывод о том, что в случае сущест­ венного различия влияния отдельных параметров РПУ на качество приема его поражение будет происходить практически в основном из-за наименее защи­ щенных каналов, например с ослабленной избирательностью для помех. На рис. 2.14 таким является канал с характеристикой 3 , которая совпадает с ха­ рактеристикой произведения элементарных вероятностей приема F (характе­ ристики 1, 2, 3), т. е. полной вероятности приема с учетом всех каналов (штриховая линия).

Рассмотрение процедуры оптимизации и характеристик, приведенных на рис. 2.13, 2.14, позволяет сделать следующие выводы:

1) с помощью алгоритмов системной оптимизации характеристик (пара­ метров) РПУ можно обосновать требования как для выпускаемой аппарату­ ры, так и для аппаратуры, рассчитанной на прогнозируемое усложнение ЭМО в будущем. Тем самым представляется возможность определить требования к характеристикам'РПУ в процессе их разработки;

2)расчет показателя качества Q дает возможность сравнивать различные модели РПУ между собой, определяя количественно их эффективность. Если этот показатель дополнить стоимостью РПУ, то возможна оценка эффективно­ сти устройства с учетом экономического фактора;

3)произвольное задание различных характеристик РПУ при его разработ­ ке нецелесообразно, так как из-за порогового характера соответствующих за­ висимостей вероятности приема (поражения) ’’несбалансированный” выбор характеристик может быть неоправданным и экономически невыгодным.

2 3 . Схемотехнические исследования радиоприемных устройств

2.3.1. Модели компонентов

Схемы РПУ и его ФЗ могут содержать соединения различных активных и пассивных компонентов. Описание их свойств в виде математической модели позволяет производить анализ линейных,шумовых и нелинейных характери­ стик РПУ или ФЗ на схемотехническом уровне.

Основными компонентами современных РПУ являются различные полу­ проводниковые приборы. На рис. 2.15 представлены возможные модели сле­ дующих приборов: биполярных транзисторов (я), полевых транзисторов (б), транзисторов с барьером Шотки (в ).

Iе ! П

'ш22

Приведем краткие сведения о шумовых моделях некоторых компонентов схемРПУ.

1. Тепловые шумы характерны для цепей, содержащих омическое сопро­ тивление R , в котором под действием температуры окружающего простран­

ства Т возникает хаотическое движение (флуктуация) носителей зарядов (электронов).

Квадрат эффективного значения ЭДС шума в полосе пропускания П на­ ходится по формуле Найквиста:

где к = 1,38 • l(T2i Дж/град —постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура окружающего пространства; П —полоса, в пределах которой определя­ ется величина ЭДС.

Рис. 2.18

Модель шумящего сопротивления с использованием генератора ЭДС дана на рис. 2.18, а . Помимо активного сопротивления R , эта модель может содер­ жать реактивное сопротивление jX 9 которое не является источником шума. Однако при анализе шумов ФЗ реактивные сопротивления должны учитывать­ ся, так как они влияют на уровень выходного шума РПУ или его ФЗ в соответ­ ствии с (2.40), т.е. определяют коэффициенты передачи источников шумов на выход тракта.

Преобразуя в соответствии с законом Ома модель, приведенную на рис. 2.18,а, получаем модель с использованием генератора тока (рис.2.18,б):

где G= 1/R .

Помимо резисторов, соединительных проводников, омических компонен­

точниками тепловых шумов являются колебательные цепи, модели которых содержат омические сопротивления. В последнем случае более удобны выра­ жения и модели источников шумов, относящиеся к внешним полюсам колеба­ тельной цепи. Например, пересчитывая ЭДС шума сопротивления потерь г оди­

теплового шума, а также различных флуктуаций, связанных с приемом шумо­ вых излучений космоса, Земли, атмосферы и т.д. Для описания шумов антенн обычно используют формулу Найквиста (2.42), где, однако, необходимо скорректировать множитель Т так, чтобы результаты расчета соответствовали эксперименту:

(2.44)

В выражении (2.44) ТА - шумовая температура антенны, зависящая от ее диаграммы направленности, ориентации, диапазона частот, географического положения, времени приема и тщ.

Иногда используется оценка шумов с помощью, так называемой относи­ тельной шумовой температуры tA — T J T . Тогда из (2.44) следует:

Пример 2.5. Выделить в шумах антенны две составляющие - теплового характера ^шАт и внешних излучений и шАаг (t/^ A = ^ Ат + t / j ^ ) и показать с помощью (2.13), что ухудшение отношения С/Ш на выходе РПУ сравнительно с его входом можно опреде­

ня внешних шумов влияние собственных шумов тракта на ухудшение отношения С/Ш снижается (Я < Яш) ; при £ » 1 (уровень внешних шумов существенно превосходит уровень тепловых шумов антенны) Я стремится к 1, а увеличение коэффициента шума РПУ практически не отражается на его способности принимать слабые сигналы. В этих условиях проектировать РПУ с малым коэффициентом шума нецелесообразно.

3. Шумы усилительных приборов подробно изучаются в курсе электрон­ ных приборов. Они содержат различные по своей физической природе компо­ ненты: тепловых шумов (объема полупроводника), дробовых шумов перехо­ да, связанных с неравномерностью потоков носителей, неравномерностей рас­ пределения носителей между электродами, а также шумов, обусловленных другими физическими явлениями. Иногда для описания шумов усилительных приборов используют:

а) шумовое сопротивление Я щ , которое предполагается включенным ко входу ’Ъешумящего” прибора так, что на его выходе при температуре Т уро­ вень расчетного шумового тока будет соответствовать действительному;

бора отличаются от рассчитанных по формуле Найквиста в предположении, что эта проводимость является источником теплового шума.

Для вакуумных триодов Ящ ** 2,5/Я, а Гвх на СВЧ приблизительно равна 1-5; для транзисторов Яш <«20А21э I J \Y 2l \2 ,а Гвх = (20/э (1 - h2l3) +

+ г' W 2CBX)/G BX ,где S —крутизна характеристики триода; / — постоян­

ный ток эмиттера; Свх , Свх , й21э, —параметры транзистора; w — утло-

вая частота, на которой определяются шумовые характеристики.

Шумовые модели (см. рис. 2.15) оказываются достаточно сложными, тре­ буют изучения природы флуктуаций для каждого конкретного прибора и но-

сят приближенный характер. Поэтому широкое применение находят модели ’’шумящих” четырехполюсников.

4. Для описания шумов ФЗ и их компонентов не обязательно знание физи­ ческой природы флуктуаций. Для этого внутренние источники шумов заменя­ ются несколькими источниками, отнесенными ко входу и выходу, в результа­ те чего ФЗ представляется условно ’’нешумящим” четырехполюсником. На­ пример, если закоротить клеммы 11 и 22 "шумящего” четырехполюсника, то через короткозамыкающие цепи в самом общем случае будут протекать четы­ ре шумовых тока (см. рис. 2.19) : 1) не коррелированные токи /щ1 и со­ ответственно на входе и выходе четырехполюсника, не имеющие между собой связей, так как порождены различными, не связанными друг с другом физиче­

лой Найквиста U2 = 4kTRmI I , где П —эквивалентная шумовая полоса, в пре­ делах которой осуществляется учет шумов (практически равная в РПУ поло­ се наиболее узкополосного тракта); к —постоянная Больцмана; Т —абсолют­ ная шумовая температура;

Так как в действительности проводимости Укор в сечении 11 нет, то этот па­

Рис.2.21

Шумовые модели на основе параметров "шумящего" четырехполюсника имеют свои преимущества и недостатки. Метод четырехполюсника не требует знания процессов шумообразования в ФЗ или его компонентах и позволяет за­ писать простое и универсальное выражение для коэффициента шума К опи­ сываемого линейного устройства или его ФЗ:

где Ут= Gr + )Вт —проводимость источника (см.рис. 2.20) .

Однако в этом случае возникает необходимость в экспериментальном или расчетном определении параметров /?ш , Сш , Укор

Анализ зависимости (2.47) позволяет сделать существенный для техники радиоприема вывод о возможности минимизации коэффициента шума К ш (1.20) и, следовательно, достижения максимума реальной чувствительности исследуемого тракта путем подбора оптимальной проводимости или сопротив­ ления источника сигнала (рис. 2.21). Действительно, как следует из (2.47), для минимизации К ш необходимо: 1) удовлетворить равенству Вг + Дкор = 0, что достигается, например, расстройкой контура (источника сигнала для четы­