1,1. Назначение и виды радиоприемных устройств

Радиоприемное устройство (РПрУ) — это комплекс электриче­ских цепей, функциональных узлов и блоков, предназначенный для улавливания распространяющихся в открытом пространстве элек­тромагнитных колебаний искусственного или естественного проис­хождения в радиочастотном (3·10³... 3·10¹² Гц) и оптическом (3·10¹²...3·10¹⁶ Гц) диапазонах и преобразования их к виду, обес­печивающему использование содержащейся в них информации. Радиоприемные устройства являются важнейшими составными частями всех радиосистем, в том числе радиосвязи, радиовещания и телевидения, относящихся по информационному назначению к классу систем передачи информации из одних пунктов простран­ства в другие.

Функциональная схема радиосистемы этого класса представ­лена на рис. 1.1. Радиопередающее устройство (РПдУ), РПрУ и среда распространения электромагнитных волн образуют радио­канал. В РПдУ подлежащая передаче информация в виде сооб­щения той или иной физической природы преобразуется в соот­ветствующий электрический сигнал, который непосредственно или после кодирования модулирует высокочастотное несущее колеба­ние, образуя радиосигнал. С помощью передающей антенны A₁ энергия радиосигнала преобразуется в энергию электромагнитно­го поля, распространяющегося в виде электромагнитных волн в окружающем пространстве. Посредством антенны А₂ энергия сильно ослабленного в месте приема электромагнитного поля вы­сокой частоты преобразуется в энергию электрических колебаний, являющихся входным сигналом для собственно приемника. На выходе РПрУ в результате обратного электрофизического преоб­разования сигнал представляется в виде, необходимом для потребителя информации.

В месте приема существуют также электромагнитные поля, создаваемые посторонними источниками естественного и искусственного происхождения. Соответствующие электромагнитные коле­бания воспринимаются РПрУ и мешают приему полезного сооб­щения, т. е. являются так называемыми внешними радиопомеха­ми. Кроме того, и в цепях самого РПрУ возникают различные по­бочные мешающие электрофизические явления, проявляющиеся в виде внутренних помех приему. Исходное сообщение в процессе прохождения по радиоканалу претерпевает нежелательные изме­нения, оцениваемые искажением сигнала. Искажения имеют место как вне приемопередающей аппаратуры, так и внутри нее. Первые связаны с рядом физических процессов, сопровождающих распро­странение электромагнитных волн, вторые обусловлены неидеаль­ностью характеристик РПдУ и РПрУ.

В зависимости от признаков, положенных в основу, существует ряд различных классификаций РПрУ. По основному функциональ­ному назначению РПрУ делят на профессиональные и вещатель­ные. К профессиональным приемникам (в системах передачи ин­формации) относятся РПрУ связные, телевизионные, телеметри­ческие, телеуправления и др. Вещательные приемники обеспечи­вают прием программ звукового и телевизионного вещания. Их массовое производство и необходимость относительной дешевизны обусловливают сравнительно простые технические решения. Про­фессиональные РПрУ отличаются большей сложностью и стои­мостью, зачастую соизмеримой со стоимостью передающего обо­рудования.

Среди связных различают РПрУ космических, международных, магистральных, внутризоновых, местных, технологических и дру­гих радиосистем передачи. Профессиональные телевизионные при­емники используются в связных, сервисных и прикладных теле­визионных системах. Приемники звукового вещания делятся на монофонические, стереофонические и квадрофонические; вещатель­ные телевизоры обеспечивают прием программ в системах монохромного и цветного вещания, в перспективных системах с высо­кой четкостью изображения и др.

Таблица 1.1 Классификация диапазонов волн

Диапа­зон	Диапазоны волн		Диапазоны частот
	Наименование волн	Длины волн	Наименование частот	Частоты
4	Мириаметровые	100 ..10 км	Очень низкие (ОНЧ)	3... 30 кГц
5	Километровые	10 ..1км	Низкие (НЧ)	30...300кГц
6	Гектометровые	1000 ..100м	Средние (СЧ)	300…3000кГц
7	Декаметровые	100.. 10м	Высокие (ВЧ)	3...30МГц
8	Метровые	10... 1 м	Очень высокие (ОВЧ)	30... 300 МГц
9	Дециметровые	100... 10см	Ультравысокие (УВЧ)	300...3000МГц
10	Сантиметровые	10.. 1см	Сверхвысокие (СВЧ)	3...30 ГГц
11	Миллиметровые	10... 1 мм	Крайне высокие (КВЧ)	30... 300 ГГц
12	Децимиллиметровые	1... 0,1 мм	Гипервысокие (ГВЧ)	300... 3000 ГГц
Опти- ческий	Инфракрасные	100 .0,74 мкм	—	3... 30000 ТГц
	Видимые	0,74 . 0,38 мкм
	Ультрафиолетовые	0,38 . 0,01 мкм

В соответствии с рекомендациями Международного консуль­тативного комитета по радио (МККР) при построении радиоси­стем передачи используется спектр радиочастот, разделенный на девять диапазонов (табл. 1.1). Современные РПрУ работают во всех этих радиодиапазонах, из которых наиболее широко исполь­зуются диапазоны от НЧ до КВЧ включительно, а также на ин­фракрасных и видимых волнах оптического диапазона.

Приемники различных диапазонов могут существенно отли­чаться по структуре, схемной и конструктивной реализациям, эле­ментной базе, однако существуют РПрУ, которые обеспечивают прием в нескольких диапазонах («всеволновые»). Приемники зву­кового вещания работают в диапазонах воли: длинных (ДВ; НН; СЧ), средних (СВ; СЧ), коротких (KB; ВЧ), ультракоротких (УКВ; ОВЧ), дециметровых (ДМВ; УВЧ). Вещательные телеви­зоры осуществляют прием программ наземных телевизионных си­стем в метровом и дециметровом диапазонах. В дециметровом и сантиметровом диапазонах работают РПрУ радиорелейных и спутниковых систем связи и телевизионного вещания. Приемники Систем прямой межспутниковой связи и телевизионных систем высокой четкости должны обеспечивать прием на миллиметровых, децимиллиметровых и оптических волнах.

Как видно из табл. 1.1, диапазоном СВЧ согласно рекомендациям МККР следует называть сантиметровый (десятый), однако вследствие значительной общности схемных и конструктивных решений, а также элементной базы в оте­чественной и зарубежной литературе принято объединять под термином СВЧ, или «микроволновый», три диапазона − дециметровый, сантиметровый и милли­метровый.

По виду принимаемых сигналов приемники делятся на два класса: непрерывных (аналоговых) и дискретных сигналов. По «иду принимаемой информации различают РПрУ радиотелефон­ные, звукового вещания, факсимильные, телевизионные, радио­телеграфные, передачи данных и др. Существуют, особенно в си­стемах радиосвязи, РПрУ, предназначенные для приема информа­ции различных видов. В зависимости от вида используемой моду­ляции (манипуляции в случае дискретных сигналов) бывают при­емники амплитудно-модулированных (AM), частотно-модулиро­ванных (ЧМ), фазомодулированных (ФМ) сигналов, сигналов с одной боковой полосой (ОБП) и различными видами импульсной модуляций и др.

Кроме того, различают РПрУ:

• по месту установки — стационарные, мобильные, бортовые, пе­реносные;

• по способу питания — питаемые от сети переменного тока, от аккумуляторов, гальванических или солнечных батарей, с универ­сальным питанием;

• по способу управления и коммутации — с ручным, частично или полностью автоматизированным, дистанционным, комбиниро­ванным управлением.

Первые РПрУ, пригодные для практического применения, были построены и продемонстрированы в 1895 г, русским физиком и электротехником А. С. Попо­вым, а также запатентованы итальянским изобретателем и предпринимателем Г. Маркони (1897 г.). Научной основой для создания этих устройств, положив­ших начало радиотехнике, послужили фундаментальные и прикладные физические исследования в области теории, возбуждения, излучения и улавливания электро­магнитных волн, проведенные во второй половине XIX века Дж. Максвеллом, Г. Герцем, Э. Бранли, О. Лоджем, Н. Тесла и рядом других ученых В качестве индикатора электромагнитных волн в этих РПрУ использовался так называемый когерер. Низкая чувствительность последнего, отсутствие усиления мощности принимаемых сигналов и резонансных колебательных систем существенно огра­ничивали радиус действия таких приемников и не позволяли реализовывать важ­ную функцию избирательности полезного сигнала среди других сигналов и по­мех. На рубеже XIX—XX веков повышение чувствительности и избирательности РПрУ за счет замены когерера детектором, применения резонансных контуров и слухового приема, совершенствования антенн позволило реализовать весьма-эффективные по тем временам военные и гражданские системы радиосвязи на суше и на море, а также провести ряд экспериментов по другим применениям радио (метеорология, определение местоположения отражающих радиоволны объектов и др.).

Качественно новый полувековой этап развития техники РПрУ, как и всей радиотехники, начался с применения электронных ламп — диода (1904 г.), ис­пользовавшегося преимущественно в качестве детектора, и особенно триода (1907 г.), применение которого для усиления мощности принятых сигналов обе­спечило многократное повышение чувствительности ламповых приемников по сравнению с детекторными. Предложенный в 1913 г. принцип регенеративного приема позволил еще более увеличить чувствительность и избирательность РПрУ прямого усиления. Уже в годы первой мировой войны приемники, в которых триоды использовались для усиления, детектирования и преобразования сигна­лов, обеспечивали устойчивую радиосвязь на расстояниях свыше тысячи кило­метров.

В 1918 г был разработан обладающий значительными преимуществами су­пергетеродинный метод приема, однако его широкое внедрение стало реальным только с появлением 1926—1930 гг. экранированных ламп — тетродов, пентодов и других многосеточных усилительно-преобразовательных ламп. С начала 30-х годов этот метод приема является основным во всем радиодиапазоне волн. Ве­дущие страны мира в 30—40 гг. приступили к серийному промышленному про­изводству РПрУ различного назначения — в первую очередь для систем радио­вещания, профессиональной радиосвязи и электронного телевидения.

В указанный период в связи с перегруженностью освоенных радиодиапазо­нов и потребностями высококачественного электронного телевидения усиленно изучался и осваивался диапазон УКВ, для повышения качества и надежности радиоприема разрабатывались эффективные методы модуляции и борьбы с по­мехами. Были предложены и стали внедряться ЧМ, AM с ОБП, ФМ и кодовая модуляции, освоены синхронный прием и прием телеграфных сигналов с улуч­шенным качеством. В годы второй мировой войны в связи с разработкой радио­локационных и радиорелейных систем начинается освоение дециметрового и сантиметрового диапазонов волн, получает развитие теория и техника радиоим­пульсного приема В конце 40-х годов были разработаны новые типы электрон­ных приборов СВЧ (дисковые триоды, отражательные клистроны, лампы бегу­щей волны и др.) и освоены методы построения РПрУ этого диапазона.

В решении проблемы помехоустойчивости радиоприема возникло новое на­правление, основанное на изучении и использовании различий в статистических характеристиках сигналов и помех с помощью методов теории передачи инфор­мации. Одним из важнейших достижений на этом направлении было создание теории потенциальной помехоустойчивости приема (1946 г.), на базе которой развивается современная теория анализа и синтеза радиосистем, оптимальных по помехоустойчивости.

В 50-е годы начался новый этап развития техники радиоприема на основе достижений полупроводниковой электроники. Детекторные свойства пары «металл—полупроводник» нашли применение еще на заре радиотехники, а с исполь­зованием усилительных и генераторных свойств такой пары был даже создан высокочувствительный безламповый радиоприемник — кристадин (1923 г.). Ши­рокому внедрению полупроводниковых приборов способствовало изобретение транзистора (1947 г.). Быстрый процесс «транзисторизации» привел к вытесне­нию электронных ламп из радиоприемной аппаратуры умеренно высоких частот, а разработка малошумящих полупроводниковых параметрических усилителей (ППУ) и появление туннельного диода (ТД), также использовавшегося для малошумящего усиления, «продвинули» этот процесс в СВЧ диапазон. В 60-х го­дах начинает развиваться микроэлектроника, и 80-е годы характеризуются ши­роким внедрением в РПрУ сначала аналоговых, а затем и цифровых интеграль­ных микросхем (ИМС), что наряду с дальнейшим повышением надежности и улучшением массогабаритных и энергетических показателей радиоприемников позволило осуществлять сложные, ранее нереализуемые принципы и методы при­ема и обработки сигналов.

В настоящее время техника радиоприема развивается по сле­дующим основным направлениям:

• дальнейшее освоение наиболее высокочастотных диапазонов волн, включая миллиметровый, децимиллиметровый и оптический;

• широкое внедрение методов и средств цифровой обработки сиг­налов, микропроцессорной и вычислительной техники для автома­тизации РПрУ;

• совершенствование методов борьбы с помехами;

• значительное улучшение качественных показателей. РПрУ, уве­личение функциональной сложности приемной техники;

• повышение степени интеграции функциональных узлов и бло­ков РПрУ.