Учебники / УПиОС Плаксиенко_2004
.pdf
Устройства приема и обработки сигналов
Приёмник может быть предназначен для работы на одной или нескольких фиксированных частотах, в непрерывном или прерывном диапазоне частот. Для диапазонных приёмников определяется число поддиапазонов, коэффициенты перекрытия для них и запасы перекрытия по частоте между поддиапазонами.
1.3.Классификация по виду модуляции
Взависимости от вида модуляции принимаемых сигналов, РПрУ можно разделить на два больших типа: это приёмники с амплитудной модуляцией (АМ) и с частотной модуляцией (ЧМ).
Непрерывные АМ - сигналы наибольшее применение нашли в радиовещании, системах связи, радиоуправления, радионавигации и телеметрии. АМ - приёмники охватывают диапазоны от ДВ до КВ. В зависимости от режима работы радиолинии, различают одноканальные и многоканальные системы. В одноканальных линиях модулирующим служит одно низкочастотное напряжение с диапазоном модулирующих частот от
FМИН (FН) до FМАКС (FВ) или с фиксированной частотой F. Оно непосредственно модулирует сигнал с несущей частотой f. В многоканальных ли-
ниях модулирующий сигнал состоит из нескольких различных низкочастотных напряжений, которыми вначале модулируются сигналы с поднесущими частотами fПi, отстоящими друг от друга на равный интервал fП.
Затем эти сигналы с модулированными поднесущими складываются и образуют результирующий сигнал, с помощью которого модулируется передаваемый сигнал с частотой f (несущая). Иначе говоря, многоканальные АМ - системы создаются по принципу частотного разделения каналов и имеют двухступенчатую амплитудную модуляцию (АМ – АМ).
Параметры вещательных АМ - сигналов:
диапазон рабочих частот: от 148 кГц до 26,1 МГц (ДВ, СВ, КВ диапазоны),
FВ – до 5 кГц, промежуточная частота fПР = 465 кГц,
частотное расстояние между соседними каналами fСК – 9 кГц – для ДВ и СВ, 10 кГц для КВ, Непрерывные ЧМ - сигналы чаще всего применяются в радиове-
щании и в системах связи, радиоуправления и телеметрии. Обычно в приёмниках ЧМ ставится ограничитель амплитуды перед частотным детектором. Поскольку полезная информация заложена в изменении частоты, то с помощью ограничителя амплитуды существенно ослабляется паразитная амплитудная модуляция сигнала помехами, а это позволяет улучшить качество приёма. Радиолинии с частотной модуляцией также могут быть одноканальными и многоканальными. Методы построения
11
Учебное пособие
многоканальных линий связи с частотной модуляцией для передачи телеграфных, телефонных и телеметрических сигналов различаются характером построения декодирующих устройств, включаемых на выходе приёмника для разделения каналов. Так же, как и в линиях с АМ, собственно ЧМ - приёмник закачивается групповым, или линейным усилителем, с выхода которого неразделённые канальные сигналы передаются на декодирующее устройство. Системы управления с ЧМ сигналами обычно строятся так, что для передачи каждого единичного сигнала управления выбирается определённая частота модуляции. Чтобы иметь необходимый набор различных команд, используется несколько различных частот модуляции, равных нужному количеству команд.
После частотного детектора в подобных приёмниках ставятся фильтры, настроенные на частоты модуляции сигнала. За каждым фильтром включается свой низкочастотный тракт, при необходимости имеющий усилительные каскады.
Параметры отечественных вещательных ЧМ - сигналов:
диапазон |
рабочих частот: |
УКВI |
(65,8-74 МГц), УКВII (100- |
108МГц), |
|
|
|
девиация |
– (50 или |
75) |
КГц, промежуточная частота |
fПР = 10,7 МГц,
fСК – 120 – 180 КГц.
Следует особо выделить приёмники сигналов с одной боковой полосой (ОБП), которые, как правило, используются в телеметрии. Сигналы с ОБП позволяют практически вдвое сузить ширину спектра сигнала и увеличить дальность действия радиолинии при той же мощности радиопередатчика, что и в линиях с двухполосными сигналами. Приёмники сигналов с ОБП, в соответствии с характером принимаемого сигнала, бывают двух типов: с восстановлением несущей принимаемого сигнала по пилот-сигналу и с восстановлением несущей без пилот-сигнала (от местного гетеродина).
Различают также телевизионный (ТВ) сигнал. У него амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой для изображения и частотная модуляция – для звукового сопровождения.
В профессиональных приёмниках часто применяют дискретные сигналы - амплитудная, частотная, фазовая манипуляция или телеграфия (АТ, ЧТ, ФТ). В радиолокации, радионавигации, телеуправлении, радиотелеметрии, импульсной радиосвязи и в ряде других областей радиотехники применяют импульсные сигналы. В основном это приёмники метровых, дециметровых и сантиметровых волн. Как правило, они работают на фиксированных частотах. Переход от одной фиксированной частоты к другой осуществляется либо полной сменой высокочастотного блока,
12
Устройства приема и обработки сигналов
либо частичной заменой элементов этого блока и перестройкой гетеродина. Значительно реже такие приёмники имеют перестраиваемые преселекторы.
1.4.Классификация по способу построения тракта
Вприёмниках применяется либо прямое усиление сигналов до демодулятора, либо усиление с гетеродинным преобразованием частоты. Приёмники прямого усиления просты, однако характеризуются сравнительно низкими показателями качества. Их чувствительность ограничена уменьшающимся с повышением рабочей частоты усилением, а селективность – возможным числом перестраиваемых в диапазоне частот, сопряжённых в настройке , колебательных контуров и трудностью сопряжения большого числа контуров. Приёмники прямого усиления находят, как правило, применение в диапазонах ДВ и СВ. В них усилитель радиочастоты (УРЧ) усиливает сигналы и осуществляет основную селекцию. Демодулятор выделяет сообщение (например, звуковой программы), которое через регулятор усиления поступает на усилитель звуковых частот (УЗЧ). В УЗЧ повышается мощность сигнала до значения, необходимого для нормальной работы оконечного устройства (громкоговорителя).
Для повышения усиления и селективности приёмников прямого усиления применяют положительную обратную связь (ПОС). Степень ПОС обычно регулируется, например конденсатором переменной ёмкости. Такой приёмник называется регенеративным. Недостатки регенеративных приёмников – усложнение настройки, зависимость параметров от напряжения питания и других факторов, значительные искажения сигналов.
Вдиапазоне УКВ применяют сверхрегенеративные приёмники. Принцип сверхрегенерации состоит в применении глубокой ПОС, достаточной для самовозбуждения радиочастотных колебаний в УРЧ, и в периодическом прерывании самовозбуждения со сверхзвуковой частотой. При этом среднее за период прерывание усиления может достигать миллиона, что позволяет получить высокую чувствительность приёмника. Однако селективность сверхрегенеративного приёмника невелика.
Супергетеродинные приёмники характеризуются высокими показателями качества, однако имеют более сложную схему. Входная цепь (ВЦ)
иУРЧ осуществляют усиление и предварительную селекцию сигналов, что способствует уменьшению искажений в смесителе преобразователя частоты (ПЧ). В смесителе происходит преобразование модулированного колебания с частотой принимаемого сигнала в модулированное колебание промежуточной частоты (постоянной для данного приёмника) без
13
Учебное пособие
изменения формы огибающей. Частота принимаемого сигнала определяется частотой гетеродина и промежуточной частотой (обычно fС=fГ-fП).
Усилитель ПЧ выполняет основную селекцию принимаемого сигнала и усиливает его до уровня, достаточного для нормальной работы детектора. Постоянство настройки фильтра промежуточной частоты (ФПЧ) позволяет увеличить число резонансных контуров или использовать пьезокерамические, электромеханические фильтры сосредоточенной селекции (ФСС), фильтры на ПАВ и др. Таким образом достигается высокая селективность по соседнему каналу приёма. Чувствительность супергетеродинных приёмников почти не зависит от частоты настройки, поскольку усиление сигнала осуществляется, в основном, в усилителе промежуточной частоты (УПЧ). Легко достижимый запас усиления позволяет применить систему автоматической регулировки усиления (АРУ) и расширить тем самым динамический диапазон приёмника. Недостаток супергетеродинных приёмников – наличие побочных каналов приёма, из которых основными (наиболее опасными) являются зеркальный и прямой каналы. Ослабление приёма по побочным каналам осуществляется повышением селективности преселектора и линейности УРЧ, а также правильным выбором значения промежуточной частоты fП.
В приёмниках прямого преобразования частота гетеродина равна частоте принимаемого сигнала, поэтому ПЧ равна нулю. Следовательно, модулированное колебание с частотой принимаемого сигнала преобразуется в смесителе в напряжение сообщения, которое выделяется ФНЧ, а смеситель является синхронным детектором. Для синхронизации гетеродина необходимо применять систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Чувствительность приёмника прямого преобразования определяется усилением УЗЧ, а селективность – крутизной спада АЧХ ФНЧ. Достоинства такого приёмника – простота, отсутствие высокочастотного зеркального канала и комбинационных помех. Недостатки – наличие низкочастотного зеркального канала приёма, чувствительность к наводкам фона переменного тока, возможность самовозбуждения УЗЧ вследствие большого усиления, повышенное излучение с частотой гетеродина, возможность прямого детектирования сильных сигналов с АМ от местных радиостанций.
1.4.1. Приемник прямого усиления
Структурная схема приемника прямого усиления изображена на рис. 1.2.
14
Устройства приема и обработки сигналов
А
Ф |
|
|
|
ВЦ |
УРЧ |
Д |
УНЧ |
к оконечному устройству
Рис. 1.2
Электромагнитные колебания, наводимые в антенне (А) через соединительный фидер (Ф), подаются во входную цепь (ВЦ), представляющую резонатор, настроенный на частоту принимаемого сигнала. Выделенный сигнал усиливается в усилителе радиочастоты (УРЧ), в котором также могут использоваться резонансные цепи, что дополнительно обеспечивает частотную избирательность.
После усиления сигнал детектируется: для АМ - сигнала - амплитудным детектором (АД), а для ЧМ – частотным (ЧД). Детектор (Д) из ВЧ - колебания выделяет полезный модулирующий сигнал, который усиливается в усилителе низкой частоты (УНЧ) и поступает на оконечное исполнительное устройство.
Вприемнике прямого усиления основное усиление осуществляется
вУРЧ, коэффициент усиления которого КУ=106-107.
1.4.2. Регенеративный приемник
Регенеративный приёмник – это приёмник прямого усиления с положительной обратной связью (ПОС) в УРЧ. В нём положительная обратная связь периодически меняется с некоторой высокой частотой (вносимое в контур сопротивление - отрицательное). Амплитуда вносимых колебаний превышает амплитуду сигнала в 104 раз.
1.4.3. Супергетеродинный приемник
Структурная схема супергетеродинного приемника изображена на рис.1.3.
15
|
|
|
Учебное пособие |
А |
|
|
|
|
|
ПЧ |
|
Ф |
|
|
|
ВЦ |
УРЧ |
СМ |
УПЧ |
Пр еселектор |
|
|
|
|
|
Г |
Д |
|
к оконечному уст |
|
УНЧ |
|
ройству |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.3 |
|
|
В приемной антенне возникает ЭДС ЕА с частотой сигнала fС. Вход-
ная цепь и УРЧ содержат резонансные цепи, настроенные на частоту fС. Усиленное напряжение сигнала UC с выхода УРЧ поступает на преобра-
зователь частоты (ПЧ). С выхода ПЧ сигнал поступает на усилитель промежуточной частоты (УПЧ), содержащий избирательную систему и собственно усилитель. Часть приемника до ПЧ называют преселектором. ПЧ состоит из смесителя (СМ) и гетеродина (Г). Г - вспомогательный генератор, частота которого изменяется вместе с настройкой преселектора. СМ - нелинейный шестиполюсник, который осуществляет перенос спектра частот из одной области в другую. ПЧ, изменяя частоту сигнала, не влияет на форму модулирующей функции, т.е. действует по отношению к принимаемому сигналу как линейная параметрическая цепь. Поэтому часть РПрУ до детектора называют линейной по отношению к принимаемому сообщению.
Из теории нелинейных электрических цепей известно, что если на входе СМ действуют сигналы с частотами fC и fГ, то на его выходе полу-
чим ряд комбинационных частот ±nfГ± mfC|, где n, m = 1,2,3,....
Резонансная цепь на выходе смесителя настроена на промежуточ-
ную частоту fП = fГ – fС или fП = fС – fГ.
Если fГ > fС – это верхняя настройка частоты гетеродина, если fГ < fС – нижняя настройка частоты гетеродина.
Чаще, особенно в бытовых приемниках, fП < fС, т.е. преобразователь понижает частоту принимаемого сигнала.
16
Устройства приема и обработки сигналов
Иногда спектр частот переносят вверх, тогда супергетеродинный приемник называют инфрадином.
Если сигнал принимают в некотором диапазоне частот, то для со-
хранения постоянного значения промежуточной частоты частоту ге-
теродина изменяют вместе с настройкой преселектора так, чтобы
fП= fГ – fС = const.
Преобразование принимаемых частот в постоянную частоту имеет ряд преимуществ:
-резонансные цепи УПЧ не перестраивают, что упрощает их конструкцию;
-перенос спектра в область более низких частот позволяет легко осуществить основное усиление в УПЧ;
-использование пониженной частоты позволяет сузить полосу пропускания (повысить избирательность), повысить коэффициент усиления
иустойчивость УПЧ;
-на низкой частоте схемные решения более простые. Супергетеродинный приемник имеет и недостаток - наличие побоч-
ных каналов приема, основные из которых - зеркальный и прямой.
Если на вход приемника поступит сигнал с частотой побочного канала, равной fЗК=fС+2fП, то после преобразования получим
fЗК-fГ=fС+2fП-fГ=fГ+fП-fГ=fП ,
т.е. частота зеркального канала преобразуется в частоту fП и в УПЧ уси-
ливается также, как и частота сигнала. Из диаграммы, приведенной на рис. 1.4, видно, что зеркальный канал может быть подавлен только в преселекторе.
Если частота соседнего канала fСК= fС- f, то после преобразования получим:
fГ- fСК =fГ–(fС- f)=fП+ f.
Соседний канал не попадает в полосу УПЧ, т.е. избирательность по соседнему каналу обеспечивается в УПЧ.
Прямой канал - это частота, совпадающая с частотой настройки УПЧ - fПр.
1.4.4. Приемник прямого преобразования
На рис. 1.5 приведена структурная схема приемника прямого преобразования.
17
|
Учебное пособие |
|
|
K |
АЧХ преселектора |
АЧХ УПЧ |
|
|
|
|
f |
|
|
|
|
|
|
|
f =f -f |
С |
fПр+ f |
f |
|
f |
|
f |
|
f |
|
f |
Пр Г |
|
СК |
С |
Г |
ЗК |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.1.4
А
ПЧ
Ф
Пр есел. 
СМ 
ФНЧ 
УНЧ
Г
к оконечному устройству
Рис. 1.5
Так, для телефонного канала полоса принимаемого сообщения равна 3кГц. Частота гетеродина должна быть отстроена от частоты принимаемого сигнала на (0,5 - 1) кГц так, чтобы на выходе СМ не было нулевых биений.
В таком приемнике основное усиление осуществляется в УНЧ, коэффициент усиления которого КУ = 104 - 106. Такое усиление позволяет получить чувствительность до долей микровольт.
Достоинством такого приемника является простота, недостаток - наличие двух боковых полос приема.
К приемникам прямого преобразования относится синхродин, схема которого представлена на рис. 1.6, где ЦС – цепь синхронизации; СГ – синхронный гетеродин.
18
Устройства приема и обработки сигналов
А
ПЧ
Ф
Пр есел. 
СМ 
ФНЧ 
УНЧ
ЦС |
|
С Г |
|
к оконечному устройству
Рис. 1.6
Возможно построение асинхронного приемника с двумя квадратурными каналами. При этом не нужна синхронизация до фазы.
1.5. Классификация по способу питания
По способу питания РПрУ делят на приемники:
-с автономным или внешним источником;
-от аккумуляторов (батареи) или сети;
-с универсальным источником питания.
Эти способы часто сочетаются друг с другом, поэтому здесь четких границ нет.
Выводы
1.В радиотракте супергетеродинного приемника помимо усиления происходит преобразование частоты принимаемого сигнала.
2.При любой частоте принимаемого сигнала частота гетеродина такова, что промежуточная частота всегда приблизительно постоянна. Это существенно упрощает систему настройки и технологию изготовления приемника.
3.Результирующая АЧХ радиотракта приемника определяется в основном АЧХ селективных цепей тракта промежуточной частоты.
4.Основные недостатки супергетеродинного приемника – наличие побочных каналов приема и паразитного излучения с частотой гетеродина.
19
Учебное пособие
2. Качественные показатели РПрУ
Современные РПрУ характеризуются большим числом показателей и эксплуатационно-технических характеристик. Рассмотрим некоторые из них без учета назначения РПрУ.
Основные показатели РПрУ должны определять меру его пригодности для приема сигналов в условиях действия помех.
К основным показателям относятся:
-Чувствительность.
-Избирательность (частотная селективность).
-Помехоустойчивость, стабильность работы.
-Уровень искажений принимаемых сигналов.
-Динамический диапазон.
-Диапазон принимаемых частот.
-Электромагнитная совместимость.
-Надежность.
-Габариты, вес (особенно актуально на летательных аппаратах).
-Стоимость.
Рассмотрим некоторые из них поподробнее.
2.1. Чувствительность РПрУ
Под чувствительностью понимают способность приемника принимать слабые сигналы. Количественно чувствительность оценивается минимальным уровнем принимаемого сигнала, при котором еще обеспе-
чивается нормальное функционирование исполнительного устройства, при заданном отношении сигнал/шум на выходе приемника.
На умеренно высоких частотах чувствительность оценивается минимальной ЭДС или минимальной напряженностью поля, для более высоких частот - минимальной мощностью сигнала на входе приемника.
Различают чувствительность, ограниченную усилением (потенциальную), реальную, пороговую, тангенциальную и максимальную (предельную).
Чувствительность, ограниченная усилением, характерна для приемников со сравнительно малым усилением в условиях, когда собственные шумы мало влияют на прием, т.е. она определяется заданной мощностью на выходе.
Реальная чувствительность учитывает влияние собственных шумов. Она определяется как минимальный уровень сигнала на входе, реализующий заданное соотношение сигнал/шум, при котором на выходе РПрУ обеспечивается нормальная мощность (50 мВт для аппаратов с номи-
20