Учебники / РПрУ Палшков (1) (1)

ются на использовании пространственных свойств сфокусирован-

ных полей, в частности их поляризации или частотных свойств самих линз. Реализуемые частотные фильтры имеют полосу пропус-

кания порядка сотен гигагерц [58]. В качестве антенны в оптическом диапазоне используется телескоп.

Усилителем оптических сигналов (УОС) может служить кван-

тово-механический усилитель либо недовозбужденный лазер соот-

ветствующего диапазона волн. Далее оптический сигнал поступает к детектору (Дет), преобразующему оптические сигналы в элект-

рические, повторяющие закон модуляции входных оптических сигналов. В качестве детектора используются фотоэлектрические преобразователи: полупроводниковые (фотосопротивления, фотодио-

ды) либо вакуумные (фотоэлементы, фотоэлектронные умиожите- ли — ФЭУ). Носле детектора следует видеоусилитель (ВУ), на вы-

ходе которого должен быть достигнут необходимый уровень мощ-

ности.

С целью упрощения приемника часто отказываются от применения УОС и после оптического фильтра включают фотодиод или ФЗУ.

Найдем предельное значение чувствительности Ре ша приемни-

ка оптического диапазона, имеющего на входе фотодетектор. Нонятие коэффициента шума приемников оптического диапазона неприемлемо, гак как вследствие квантовой природы света с увеличением сигнала увеличивается и шум, определяемый дискретностью кванта. Ноэтому коэффициент шума не является достаточной характеристикой чувствительности приемника. Фотодетектор характеризуют квантовой эффективностью \, определяемой от-

где ПЙэл — Число фотоэлектронов на выходе фотодетектора; рфот — число фотонов, действующих на фотодетектор. У современных фотодиодов квантовая эффективность \ == 0,8-:-0,9.

Допустим, что на поверхность фотодетектора попадает оптический сигнал. Мощность колебания равна Ре. Тогда число фотонов, действующих на фотодетектор в одну секунду,

где йЁ— энергия кванта оптического колебания; Й — постоянная Нланка; } — частота оптического колебания.

Выходной ток фотодиода будет равен заряду электрона, умноженному на число фотоэлектронов, излученных поверхностью фотоэлектрического преобразователя в одну секунду:

381

При действии постоянного уровня мощности оптического излучения Ре на выходе фотодетектора будет существовать постоянная составляющая тока о, определяемая формулой (16.4), и со-

путствующий этой постоянной составляющей шумовой ток, обус- ловленный дискретностью носителей заряда (дробовый шум).

Эффективное значение шумового тока

После подстановки в формулу (16.6) вместо с его значения и решения относительно Ре

При заданном отношении сигнал-шум ‘у — чувствительность приемника оптического диапазона улучшается с уменьшением эффективной полосы пропускания тракта и с увеличением квантовой эффективности. При увеличении рабочей частоты } чувстви-

тельность детекторного приемника ухудшается.

Заметим, что расчет шумовых характеристик приемника, приводящий к формуле (16.7), выполнен без учета шума видеоусилителя и шума темнового тока фотодиода. В реальных условиях чувствительность оптического приемника окажется несколько хуже,

чем рассчитанная по формуле (16.7).

Эквивалентная шумовая схема входа детекторного приемника

Я вых

Рис. 16.2

ских сигналов (фотодетектор} представлен тремя генераторами тока: [с, Лис, [ил И ВЫХОДНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ @вых. Ток [с обусловлен оптическим сигналом, действующим на фотодетектор, и представ-

ляет собой полезный эффект детектирования. Согласно соотноше-

нию (15.4)

Одновременно с полезным результатом детектирования в вы-/ ходной цепи детектора возникает шумовой ток, обусловленный дискретностью носителей зарядов

382

Кроме того, в выходной цепи детектора существует шумовой ток, величина которого не зависит от действующего сигнала. Этот ток определяется темновым током фотодиода Гу, т. е. током в отсутствие оптического сигнала. Шумовой ток, обусловленный этим

темновым током,

Ре. Ара. (16.10)

В современных фотодетекторах ток /. не превышает 1—100 пА. Носледующий тракт усиления представлен двумя шумовыми ге-

нераторами:

ПАГ(а ь,)АЬ Е4.Кы АР (16.11), (16.12)

ш.вх

входной проводимостью вх и нешумящим видеоусилителем. Между детектором и последующим трактом в качестве согласующего устройства включен идеальный трансформатор с коэффициентом

трансформации и= 05/1.

Найдем квадрат отношения сигнал-шум на входе видеоусили-

При значениях #0 и Ис отношение сигнал-шум стремится к нулю. Существует оптимальный коэффициент трансформации Поптш, При котором отношение сигнал-шум максимальное. Дифференцируя знаменатель выражения и приравнивая его нулю, получаем

с видеоусилителем. Это отличие зависит от произведения Юшёвх. ИНри большом Юшб»вх оптимальный коэффициент трансформации

Попти Практически не отличается от Понт.

В режиме согласования, когда й=Ионт, с учетом соотношений

(16.8) — (16.12)

= РА РАРИТГ 9 ввых/20 Г -- Юш @вых @вх/5 Го).

383

‚Для получения большого отношения сигнал-шум необходимо ‘уменьшать темновой ток диода /х и выходную проводимость фотодетектора и применять в качестве видеоусилителей приборы с минимальным произведением Юш@вх. Ири достаточно большой мощносги сигнала, т. е. такой, чго удовлетворяются следующие нера-

усилителя. Этот результат является специфическим и свойственным приему сигналов оптического диапазона. Он обусловлен тем, что вследствие квантового характера излучения с увеличением полезного излучения Ре увеличивается шум фотодетектора, принимающего это излучение. Из соотношения (16.15) следует целесообразность использования более низких частот оптического диапазона для улучшения отношения сигнал-шум.

Следует заметить, что применение современных ФЭУ в качест- ве детектора и видеоусилителя позволяет получить чувствитель-

ность приемника, мало отличающуюся от рассчитанной по форму-

лам (16.7) и (16.15).

Структурная схема приемника оптических сигналов супергетеродинного типа изображена на рис. 16.3. Оптический сигнал (ОС),

(ОФ), устраняющий помехи от посторонних засветок. После оптического фильтра сигнал подается на вход фотосмесителя (См,). К нему же поступают колебания от местного генератора оптических колебаний (ГОК). В результате совместного действия этих колебаний образуются изменения выходного тока с частотой, равной разности частот указанных колебаний. Разность частот выбирают в области сантиметровых волн. Далее следует тракт, свойственный приемнику сантиметрового диапазона. Если полоса спектра модулирующих сигналов относительно велика, то используется ЛБВ в качестве усилителя первой промежуточной частоты (УПЧ). Далее преобразованный сигнал посгупает на второй смеситель (См2) и затем на усилитель второй промежуточной частоты (УНЧ2). Носле соответствующего усиления и выделения спектра желательного сигнала колебания детектируются в детекторе (Дет)

384

и подаются на видеоусилитель (ВУ). С выходных зажимов видеоусилителя колебания поступают к устройствам преобразования

электрических сигналов в сообщения. В многоканальной системе передачи сообщений к выходным зажимам видеоусилителя вклю-

чают соотвегствующие цепи разделения каналов.

При использовании приемника на ретрансляционной станции к выходным зажимам подключают регенератор сигналов.

Супергетеродинный метод приема позволяет реализовать чув-

ствительность приемника оптических сигналов, близкую к вычисленной по формуле (16.7), и, кроме того, использовать стандарт-

ную аппарагуру разделения каналов в системах многоканальной связи. Однако для реализации этой чувствительности необходимо: согласовать фронт волны ГОК и фронт волны ОС, плоскости по-

ляризации волн ГОК и ОС, типы мод оптических колебаний сиг- нала и гетеродина.

Можно показать [50], что квадрат отношения сигнал-шум на выходе фотосмесителя

ВЛЕэфф = (Ае/А) п (РП А Ру) с3 Ф (11 м 4 ИЛ) (п 40/\),

где Ас — общая перекрываемая площадь поперечных сечений лучей сигнала и гетеродина в плоскости фотосмесителя; А — боль-

шая из площаден поперечных сечений лучей сигнала и гетеро- дина; | — квантовая эффективность; 4 — диаметр поперечного сечения пучка сигнала; ^, — длина волны принимаемого ОС; Й — постоянная Планка; Арфь— ширина полосы приемника; @ — угол между фронтами волн сигнала и гетеродина; ф — угол между плоскостями поляризации волн гетеродина и сигнала; Ре — мощность сигнала.

Вследствие сильного влияния метеоусловий на работу наземных открытых линий оптической связи в настоящее время наибольшее распространение для наземных систем связи получили световодные или волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Эти линии защищены от фоновых засветок и, кроме того, благодаря применению световодов обладают стабильными характеристиками передачи сигналов. Внедрение линий оптической связи в практику пока ограничивается трудностями получения однородных световодов большой длины.

Структурные схемы приемников световодных линий связи не от-

личаются от структурных схем приемников открытых линий связи, В приемниках световодных линий конец световода непосредствекно сочленяется с поверхностью фотодиода, обеспечивающего детектирование либо преобразование частоты оптических колебаний

[50, 58].

На линиях световодной связи преимущественно используются

импульсные методы модуляции: ВИМ, ИКМ, А-модуляция. Эти ви- ды модуляции позволяют существенно упростить модуляторы передатчика и осуществить регенерацию принятых сигналов.

385

17. Заключение

Материал книги был посвящен изложению основ построения приемного тракта преимущественно систем радиосвязи, радиовещания и телевидения, а также методов исследования процессов, происходящих в радиоприемных устройствах. Освоение этого материала создает необходимые предпосылки не только для самостоятельного изучения частных технических решений при реализации приемных трактов, но и для дальнейшего развития и совершенствования радиоприемных устройств. Рассмотренные в книге приме-

ры решений являются иллюстрацией общего подхода к реализации

необходимых узлов приемного устройства на существующей эле- ментной базе.

Теория и техника радиоприема продолжают развиваться в на-

правлении повышения эффективности приема сигналов примени- тельно к конкретному назначению радиотехнических систем — радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиолокации, радионавига-

ции, телеуправления, телеизмерений и др.

Улучшение верности приема сообщений в условиях как большого, так и относительно малого уровня радиопомех; повышение скорости передачи сообщений; улучшение показателей электромагнитной, совместимости; простота и надежность эксплуатации аппаратуры, экономичность разработок и функционирования систем —

все это является основным содержанием творческой деятельности

радиоинженера.

Совершенствование единой автоматизированной сети связи натлей страны, предусмотренные в решениях ХХУ[ съезда КПСС, определяет комплексное использование каналов связи для передачи

сообщений и повышение качества приема. Поставлена задача пе- рехода к массовому применению высокоэффективных систем. НПоэтому остается актуальной разработка оптимальных и квазиопти-

мальных трактов радиоприемных устройств, позволяющих прибли- зиться к реализации потенциальной помехоустойчивости приема сигналов при заданных характеристиках сигналов, нежелательных электромагнитных излучениях и параметрах существующей и прогнозируемой элементной базы. й

Одним из путей повышения качества приема в сложной элект-

ромагнитной обстановке является применение помехоустойчивых кодов и соответствующих декодирующих устройств на выходе приемников. Однако эффективность применения кодов существенно зависит от характеристик нелинейности высокочастотного тракта приемника. Поэтому остается актуальной задача изыскания путей

повышения линейности тракта усиления желательных сигналов до уровня, позволяющего осуществить эффективное их декодирование.

Декодирование сигналов и оптимальная обработка смеси сигнала и помех с необходимой точностью могут выполняться и выполняются пока в наиболее ответственных комплексах на основе цифровых устройств. Разработка логических устройств цифровой

обработки четвертого поколения на больших интегральных схемах позволит распространить эти методы в массовую аппаратуру

радиосвязи, радиовещания и телевидения. Особое значение при

эксплуатации современных автоматизированных комплексов оборудования выделенных приемных центров и измерительных при-

емников имеет контроль эксплуатационных характеристик в процессе приема сигналов. Современные профессиональные приемные устройства имеют в своем составе функциональные блоки, по-

зволяющие контролировать необходимые технические показатели тракта приема сигналов. Развитие этой системы контроля с целью

своевременной замены блоков с частичной или полной потерей не-

обходимых функций является также актуальной задачей, решение которой способствует повышению эксплуатационной надежности

радиоприемных устройств и, следовательно, радиотехнических систем в целом.

ХХУГ съезд КПСС поставил перед трудящимися нашей страны задачу повышения эффективности и качества общественного про-

изводства. В условиях развитого социалистического общества по-

вышение эффективности и качества общественного производства требует надежного функционирования различных радиотехниче-

ских систем, и прежде всего систем связи. Поэтому потребности планомерного развития народного хозяйства нащей страны определяют необходимость совершенствования радиоприемных устройств в перспективных направлениях.

Неред радиоспециалистами олкрыты широкие возможности для создания и совершенствования радиоприемных устройств. Успех этой работы определяется творческим освоением достижений сов-

ременной науки и техники, отражаемых в научных отечественных и зарубежных публикациях.

Список литературы

вах— М.: Связь, 1980. —280 с.

387

18.Слепян Л. Б. Основы теории и расчета радиоприемников— М.: Оборонгиз, 1939—470. с.

19.Гуткин Л. С. Преобразование сверхвысоких частот и детектирование— М..: Госэнергоиздат, 1953 — 415 с.

20.Сифоров В. И. Радиоприемные устройства— М. Воениздат, 1954—804. с.

21.Войшвилло Г. В. Усилительные устройства— М.: Связь, 1975—384. с.

22.Палшков В. В. К вопросу о нелинейных искажениях сигнала преобразовате-

32. Справочиик по интегральным микросхемам/Под ред. Б. В. Тарабрина. — М.:

388

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие .

3.10.Особенности схем и конструкций входных цепей на различных

радиотехнических диапазонах. Пути миниатюризации входных цепей о

4.Резонансные усилители

390