Учебники / УПиОС Плаксиенко_2004
.pdf
___________________________________________________
УСТРОЙСТВА ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Под редакцией профессора В.С. Плаксиенко
Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 200700 –Радиотехника
МОСКВА Учебно-методический и издательский центр
УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА
2004
Учебное пособие
Таганрогский государственный радиотехнический университет Кисловодский гуманитарно-технический институт
(Университет Академии оборонных отраслей промышленности РФ)
УДК 621.391.262(075.8)+621.391.24(075.8) ББК 32.811.3 П 37
Устройства приема и обработки сигналов: Учебное пособие для вузов/В.С. Плаксиенко, Н.Е. Плаксиенко, С.В. Плаксиенко; Под ред. В.С. Плаксиенко. – М.: Учебно-методический издательский центр «Учебная литература», 2004. - 376 с.: ил.
Изложены принципы построения устройств приема и обработки сигналов, описаны основные схемотехнические и системные решения, теоретические основы работы устройств приема и обработки сигналов радиоэлектронных систем профессионального и бытового назначения.
Для студентов вузов и факультетов радиотехнических и телекоммуникационных специальностей.
Рецензент: Главный научный сотрудник Института радиотехники и электроники Российской академии наук (ИРЭ РАН) доктор технических наук, профессор А.С. Багдасарян
УДК 621.391.262(075.8)+621.391.24(075.8) ББК 32.811.3 П 37
ISBN –5-8367-0026-X
Плаксиенко В.С.,Плаксиенко Н.Е.,Плаксиенко С.В.,
2004
2
Устройства приема и обработки сигналов
Введение
Сложность и многообразие техники радиоприема делают обязательным требованием Государственного образовательного стандарта высшего образования изучение отдельного курса «Устройства приема и обработки сигналов» по специальности 200700 «Радиотехника» направления 654200 «Радиотехника». Аналогичные по содержанию курсы читаются для других специальностей по направлению «Радиотехника»: «Методы и устройства приема и обработки сигналов»- для специальности 071500 «Радиофизика и электроника», «Устройства приема и преобразования сигналов» для специальности 201600 «Радиоэлектронные системы», «Прием и обработка сигналов» для специальности 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура» и по направлению 654400 «Телекоммуникации»: «Радиоприемные устройства»- для специальности 201100 «Радиосвязь, радиовещание и телевидение» «Устройства приема и обработки радиосигналов в системах связи с подвижными объектами»- для специальности 201200 «Средства связи с подвижными объектами» и т.д.
Указанные курсы включают в себя ряд разделов, аналогичных по своему содержанию: классификация и основные показатели устройств приема и обработки сигналов, внутренние шумы радиоприемников и помехи радиоприему, схемотехника и анализ узлов линейного тракта приемника (входные цепи, усилители радиочастоты, преобразователи частоты, амплитудные, частотные и фазовые детекторы), ручные и автоматические регулировки в радиоприемниках и др. Рассматриваются особенности специализированных устройств приема и обработки сигналов, ориентированных на конкретную специальность.
В пособии нашел отражение опыт преподавания курса на соответствующих кафедрах Таганрогского государственного радиотехнического университета, Кисловодского гуманитарно-технического института (Университет академии оборонных отраслей промышленности РФ) и Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (Шахтинский технологический институт бытового обслуживания).
Пособие написано под редакцией профессора Плаксиенко В.С. коллективом авторов. Введение, разделы 1 – 10 и заключение - В.С Плаксиенко, раздел 12 - совместно В.С. Плаксиенко и С.В. Плаксиенко, разделы 11, 13 и 14 - совместно В.С. Плаксиенко и Н.Е. Плаксиенко.
Пособие будет полезно студентам, обучающимся по направлениям «Радиотехника» и «Телекоммуникации», а также аспирантам и специалистам, занимающимся вопросами разработки и анализа устройств приема и обработки сигналов.
3
Учебное пособие
Основные этапы развития теории и техники радиоприёма
История развития радиоприёмных устройств, как и всей радиотехники, неразрывно связана с именем гениального изобретателя радио Александра Степановича Попова.
7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге А. С. Попов демонстрировал работу первого в мире радиоприёмника, названного им грозоотметчиком. Менее чем через год, 24 марта 1896 г., на заседании того же общества А. С. Попов произвёл передачу первой в мире радиограммы на расстояние 250 метров без проводов.
Все последующие годы жизни А. С. Попова были посвящены совершенствованию изобретённого им нового способа связи. Год 1901. Человечество ещё не пришло в себя от изумления: всего 5 лет назад изобретён способ передавать сигналы на расстояние без проводов. В обиход входят новые, непривычные для слуха слова: “радио”, “беспроволочный телеграф”… И вот Маркони задумывает смелый опыт – пытается осуществить связь не на десяти километров, а на гигантские расстояния между континентами. Передатчик установлен в Англии, на полуострове Корнуолл. Приёмное устройство – за тысячи километров, в Северной Америке, на полуострове Ньюфаундленд. С точки зрения теоретиков это был эксперимент, обречённый на неудачу. Не могли радиоволны через тысячи километров Атлантического океана обогнуть выпуклость земного шара, волна непременно должна была затухнуть.
Таков был строгий приговор теории. Но, как это часто бывает, эксперимент с этим обстоятельством не посчитался. Радиосвязь на длинной трассе через просторы Атлантики была осуществлена. И сила сигнала во много раз превышала расчётную! Пришлось срочно искать объяснение этому чуду. Так была открыта ионосфера.
В то время для радиосвязи использовались искровые или дуговые передатчики и детекторные приёмники на основе знаменитого когерера. Когерер использовался для обнаружения электромагнитных колебаний в первых опытах по радиосвязи А. С. Попова и Г. Маркони. Под воздействием поля приходящей волны между опилками возникали микроскопические разряды, образовывались микроскопические “мостики”, и сопротивление когерера резко уменьшалось, что и приводило к срабатыванию реле. В дальнейшем помощники А. С. Попова П. Н. Рыбкин и Д. С. Троицкий обнаружили детекторный эффект когерера, обусловленный нелинейностью вольт - амперной характеристики, и использовали для приёма на головные телефоны (1899). В последующих опытах в 1901 году было замечено, что чувствительность приёмника к слабым сигналам резко возрастала, если с приёмником был связан собственный генератор, пусть
4
Устройства приема и обработки сигналов
даже маломощный, настроенный на частоту, близкую к частоте принимаемого сигнала. Собственный генератор был назван гетеродином, а приёмник – гетеродинным.
С изобретением кристаллического детектора (1906–1908 ), и переходом на излучение незатухающих колебаний, гетеродинные приёмники стали незаменимы. При настройке местного гетеродина на частоту, отличающуюся на 0,5-1 кГц от частоты принимаемой станции, они обеспечивали слуховой приём телеграфных сигналов на телефонные трубки, в результате чего чувствительность и селективность приёмника резко возросли, а следовательно, увеличилась и дальность связи. В те годы считалось, что наиболее дальняя связь возможна лишь на сверхдлинных волнах. Для генерации незатухающих колебаний на этих, сравнительно низких частотах, широко использовались мощные электромашинные генераторы. Для приёма сигналов использовали колесо Гольдшмидта, вращаемое моторчиком. Телефоны через коммутатор подключались непосредственно к антенне или к настроенному антенному контуру. Если частота коммутации немного отличалась от частоты принимаемого сигнала, в телефонах были слышны биения со звуковой частотой. По-видимому, это был первый смеситель мультипликативного типа.
11 ноября 1911 г. была впервые установлена односторонняя радиосвязь самолёта с землёй. В начале первой мировой войны под руководством Н. Д. Папалекси была создана радиостанция для двусторонней радиосвязи самолёта с землёй.
В эпоху расцвета гетеродинных приёмников был изобретён генератор на вакуумном триоде (Мейснер, 1913), и супергетеродин (Леви, 1917). Само название супергетеродинные приёмники получили от гетеродинных. Гетеродинный приём около полутора десятилетий безраздельно царил в области телеграфной связи. Но с 20-х годов в передатчиках стали широко использовать амплитудную модуляцию (АМ), а в приёмниках – радиолампы. Приёмники прямого усиления содержали один-два каскада усиления радиочастоты, ламповый детектор и несколько каскадов усиления звуковой частоты. Позиции приёмников прямого усиления значительно укрепил регенератор (Армстронг, 1922). Благодаря введению положительной обратной связи, значительно увеличилась и селективность, и чувствительность приёмника. Широкое использование регенератора позволило выявить несколько аспектов его использования
Для приема АМ-сигналов обратная связь устанавливалась несколько ниже критической, т.е. такой, когда собственные колебания в контуре регенератора ещё не возникали, но потери энергии в контуре в значительной степени компенсировались. Эффективная добротность контура достигала нескольких тысяч, что приводило к увеличению и селективно-
5
Учебное пособие
сти, и чувствительности. Для приёма телеграфных сигналов обратная связь в контуре устанавливалась больше критической, в контуре возникали собственные колебания, а в цепи лампы появлялся ток биений с частотой, равной разности частот принимаемых и собственных колебаний. Регенератор превращался в автодинный приёмник. С появлением в 30-х годах ламповых супергетеродинных приёмников, где основная селективность получалась за счёт полосовых фильтров в тракте промежуточной частоты, эти приёмники были забыты.
Супергетеродинные приёмники обычно проектировались для приёма АМ - сигналов и оснащались обычным амплитудным детектором, одинаково хорошо реагировавшим и на сигнал, и на помехи. Для приёма телеграфных сигналов на биениях служил второй, или “телеграфный”, гетеродин, возбуждавшийся на частоте, близкой к промежуточной. Часто его колебания просто подмешивали к сигналу ПЧ, подаваемому на амплитудный детектор, теряя тем самым дополнительную селективность, обеспечиваемую УЗЧ, и ухудшая качество сигнала из-за его прямого детектирования. Широкое распространение однополосной модуляции заставило ввести в супергетеродин второй смеситель, преобразующий сигнал ПЧ на звуковые частоты.
Безраздельное господство супергетеродинных приёмников привело к тому, что к 50-м годам радиоспециалисты и радиолюбители пребывали в уверенности, что существуют лишь два больших класса радиоприёмных устройств: приёмники прямого усиления и супергетеродины. Первые обладали существенными недостатками (малая чувствительность и селективность, необходимость одновременной перестройки нескольких контуров, неравномерность параметров по диапазону, склонность к самовозбуждению и т.д.), вторые эти недостатки устраняли, но… взамен имели собственные (наличие зеркальных и побочных каналов приёма, интерференционные свисты, необходимость сопряжения контуров и т.д.).
В 40 - 50х годах стремительно развивается СВЧ - техника. Это произошло вследствие развития элементной базы: полупроводниковых и ламповых приборов.
Вспомнили принцип гетеродинного приёма радиолюбители, использующие при работе в эфире самые “дальнобойные” виды сигналов – телеграфные и однополосные телефонные. С конца 60-х годов стали появляться сообщения о хороших результатах, полученных с гетеродинными приёмниками, при использовании чрезвычайно простых схемных решений. Оказалось, что они работают не хуже, а часто даже и лучше, чем сложные ламповые. Например, первый транзисторный гетеродинный приёмник (Бингхем и Хейворд, 1968) обеспечил приём в США азиатских станций в диапазоне 80 метров. Немало способствовала возрождению
6
Устройства приема и обработки сигналов
гетеродинного приёма и новая элементарная база, ведь создать УЗЧ с чувствительностью в доли микровольта на лампах практически невозможно, а на транзисторах и ИМС – сравнительно несложно. Название появилось новое – приёмник прямого преобразования (direct conversion receiver, DCR), подчёркивающее факт прямого, без предварительного переноса на ПЧ, преобразования радиочастоты в звуковую – именно преобразования, а не детектирования. Этим гетеродинные приёмники радикально отличаются от приёмников прямого усиления, что позволяет выделить их в отдельный класс радиоприёмных устройств. Из других, менее точных названий, использовались и ещё иногда используются такие, как гомодинный приёмник, синхродин и супергетеродин с нулевой ПЧ.
Таким образом, можно сказать, что приёмник – это сложная система взаимодействующих друг с другом частей. Все они неразрывно связаны и работают как одно слаженное целое.
В процессе своего развития приёмник прошёл путь от грозоотметчика (в котором когерер служил своего рода “активным элементом”) до современного супергетеродинного приёмника, конструктивно выполненного в виде одной микросхемы; от громоздкого лампового приёмника, до портативного, размещённого в телефонной трубке. Всё это за каких-то 100 лет! Можно себе представить, что будет дальше. Хотя возможности приёма и ограничены, но кто скажет, что не будут найдены новые технологии, позволяющие повысить чувствительность и дальность приёма до огромных значений? Ведь всегда сначала фантасты что-то “изобретают”, потом это изобретают, но уже без кавычек, наши Кулибины. Может будущее за нейтрино, которое без труда пронизывает сталь, толщиной с галактику?
Современные приёмники позволяют уловить столь ничтожный сигнал, что можно на высоте в 300 км “увидеть” монетку (установка исследования ионосферы методом некогерентного рассеяния радиоволн) или прощупать вселенную на 20 миллиардов (!) световых лет, хотя представить себе такие расстояния, даже миллиард миллиметров, или 1000 км, не каждый может, хотя это расстояние вполне наше, земное. Так что можно сказать, что радио если не в стадии детства, то по крайней мере в стадии юношества.
7
Учебное пособие
1. Назначение и классификация РПрУ
Современные устройства приема и обработки сигналов (УПОС) состоят из собственно радиоприемных устройств (РПрУ) и устройств обработки сигналов. Под радиоприемным устройством понимают часть приемного комплекса, содержащую тракты радиочастоты, промежуточной частоты и демодулятор. Остальную часть, в том числе декодеры, УНЧ и т.д. относят к устройствам обработки. Радиоприемным называется устройство, предназначенное для приема, преобразования и усиления сообщений, передаваемых с помощью электромагнитных волн.
Вобщем случае РПрУ состоит из приемной антенны, приемника и оконечного устройства.
Вантенне (А) под действием электромагнитного поля возникают электрические колебания, которые подаются на вход приемника.
Вприемнике происходит выделение нужного сигнала из множества других сигналов. Сигналом называется электрическое отображение сообщения, несущее полезную информацию. Это обычно напряжение или ток, один из параметров которого (амплитуда, частота, фаза и др.) изменяется в зависимости от характера сообщения.
Прием можно разбить на три этапа: усиление полезного сигнала;
обработка принимаемого сигнала с целью уменьшения влияния по-
мех;
детектирование высокочастотного сигнала для выделения сообще-
ния.
Однако это относительно, так как, например, первый и второй этапы могут выполняться одновременно одним функциональным узлом.
Воспроизводящее устройство (ВУ) регистрирует сообщение. В качестве ВУ может быть громкоговоритель, кинескоп, печатающее устройство (принтер, плоттер, факс) и др. Сообщение может также регистрироваться иными устройствами, с запоминанием нужной информации (АЦП, RAM, магнитная лента, стример и пр.). В настоящее время телевизионное или звуковое сообщение может приниматься ЭВМ, одновременно обрабатываться, записываться, редактироваться и воспроизводиться.
РПрУ классифицируются по их назначению, диапазону принимаемых частот, виду модуляции, способу построения тракта, способу питания, месту установки и т.д. Однако здесь также нет чётких границ, поскольку один приёмник может сочетать в себе множество функций (приёмник с АМ и ЧМ, приёмник на ДВ, СВ, КВ, УКВ, портативный со встроенным блоком питания и т.д.).
8
Устройства приема и обработки сигналов
1.1. Классификация по назначению
Классификация РПрУ по назначению приведена на рис. 1.1.
1.2. Классификация по диапазону принимаемых частот
Диапазон принимаемых частот зависит от назначения РПрУ. Так, для радиовещательных приемников существуют следующие диапазоны.
Для звуковых:
ДВ |
: от 148 до 285 кГц (новый стандарт) и от 150 до 408 кГц |
|
(старый), |
СВ |
: от 525 до 1607 кГц, |
КВ |
: от 3.95 до 26.1 МГц (7 узких участков согласно |
|
ГОСТу), |
УКВ I |
: от 65.8 до 74 МГц, |
УКВ II |
: от 100 до 108 МГц. |
Для телевизионных: |
|
МВ |
: от 48,5 до 230 МГц (12 каналов) |
ДМВ |
: от 470 до 958 МГц (48 каналов) |
На ДВ и СВ станции расположены с шагом 9 кГц. На ДВ всего 15 каналов: 1-й – 153 кГц…15-й – 279 кГц. На СВ всего 120 каналов: 1-й – 531 кГц…120-й – 1602 кГц. На КВ станции расположены с сеткой 5 кГц, но в одном регионе с шагом 10 кГц.
По рекомендации МККРТ (Международный консультативный комитет по радиовещанию и телевидению), спектр радиочастот делится на диапазоны, которые приведены в таблице.
|
|
Таблица |
|
|
|
|
|
Волны |
Название диапазона |
Частоты |
|
100 – 10 км |
Мириаметровые |
3 – 30 кГц |
|
10 – 1 км |
Километровые (длинные – ДВ) |
30 – 300 кГц |
|
1 – 0,1 км |
Гектометровые (средние – СВ) |
300 – 3000 кГц |
|
100 – 10 м |
Декаметровые (короткие – КВ) |
3 – 30 МГц |
|
10 – 1 м |
Метровые |
30 – 300 МГЦ |
|
100 – 10 см |
Дециметровые |
300 – 3000 МГц |
|
10 – 1 см |
Сантиметровые |
3 – 30 |
ГГц |
10 – 1 мм |
Миллиметровые |
30 – 300 |
ГГц |
1 - 0,1 мм |
Децимиллиметровые |
300 – 3000 |
ГГц |
9
Учебное пособие
Радиовещательные
Радиоприёмные
устройства
Профессиональные
Измери- Телеметрительные ческие
Звуковые
Телевизионные
Связные
Радиолокационные
Радионавигационные
Телеуправления
Точечного
вещания (моно)
Объёмного 
вещания
(стерео)
Чёрно-белого телевидения
Цветного
телевидения
Районной, или низовой связи
Областной
связи
Магистральной связи
Ближней
локации
Дальней
локации
Ближней
навигации
Дальней
навигации
Плоского изображения
Объёмного изображения
Коротковолновые
Радиореллейные
Спутниковые
С объёмной индикацией
С плоской индикацией
Рис. 1.1
10