1.3. Показатели радиоприемных устройств

Качественные показатели РПрУ определяются электрически­ми, конструктивно-эксплуатационными и производственно-эконо­мическими характеристиками.

Одна из важнейших электрических характеристик радиоприемника − чувствительность, под которой понимают способность приемника принимать слабые сигналы. Количественно чувствительность оценивается минимальной ЭДС в антенне E_A0 (для РПрУ умеренно высоких частот) или номинальной мощностью Р_А0 (для РПрУ СВЧ) нормально модулированного сигнала, при которых на выходе приемника сигнал воспроизводится с требуемым ка­чеством. Под требуемым качеством обычно понимается либо по­лучение заданного уровня сигнала на выходе, обеспечивающего нормальное функционирование ОУ при определенном отношении мощности сигнала к мощности шумов (С/Ш), либо реализация «одного из вероятностных критериев принятого сигнала. Данное определение справедливо для тех случаев, когда внешние помехи мало влияют на прием, что характерно, например, для приемни­ков со сравнительно малым усилением в УТ, принимающих до­статочно сильные сигналы. При этом чувствительность ограниче­на усилением УТ: чем выше усиление, тем больше уровень сиг­нала на выходе РПрУ и тем легче получить нужное качество приема.

Однако в реальных условиях эксплуатации РПрУ чаще име­ют место ситуации, когда пренебречь влиянием помех на радио­прием нельзя. Если сигнал и помеха соизмеримы, увеличение уси­ления УТ не приводит, очевидно, к росту чувствительности и, та­ким образом, наименьший уровень сигнала, который может быть принят, определяется фактически уровнем не самого сигнала, а помех. Воздействующие на приемник помехи могут быть как внешними (от других радиосистем, индустриального или природ­ного происхождения), так и внутренними (шумы), причем даже если внешние помехи отсутствуют, на выходе РПрУ всегда при­сутствуют внутренние помехи, обусловленные в основном его флуктуационными шумами. В последнем случае предел чувствитель­ности приемника определяется его внутренними шумами. Такое положение особенно характерно для РПрУ диапазона СВЧ, в ко­тором уровень внешних помех сравнительно мал и решающее значение имеют внутренние шумы. Чувствительность, ограничен­ную внутренними шумами, количественно оценивают реальной или пороговой чувствительностью, коэффициентом шума или шу­мовой температурой.

Избирательностью (селективностью) называется способность РПрУ выделять полезный сигнал, ослабляя действие мешающих сигналов (помех). Основана она на использовании тех или иных различий полезных и мешающих сигналов: направления прихода и времени действия, поляризации, амплитуды, частоты и фазы.

Пространственная избирательность достигается с помощью остронаправленных приемных антенн или путем электронного уп­равления синтезированной диаграммой направленности фазиро­ванной антенной решетки. Поляризационная избирательность реа­лизуется также приемной антенной, настраиваемой на вид поля­ризации волны полезного сигнала. Временная избирательность (при приеме импульсных сигналов) достигается отпиранием при­емника только на время действия полезного сигнала.

Основное же значение имеет частотная избирательность, по­скольку в системах радиосвязи, радиовещания и телевидения сиг­налы обычно отличаются по частоте и их разделение осуществ­ляется с помощью резонансных цепей и фильтров. Различают од-носигнальную и эффективную частотную избирательность.

Односигнальная избирательность определяется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) фильтров УТ приемника при действии на его входе только одного малого сигнала (полезного или мешающего), не вызывающего нелинейных эффектов Норми­рованной АЧХ УТ называют величину

(1.1)

где K(f) — модуль коэффициента усиления (передачи) УТ по на­пряжению на произвольной частоте f; K₀ — резонансный коэффи­циент усиления на частоте настройки приемника f₀. Количествен­но односигнальная избирательность РПрУ оценивается величиной, обратной (1.1):

Se = K₀/K( f ). (1.2)

и определяет ослабление помехи при заданной ее расстройке относительноf₀. Зависимость Se(Δf) называется характе­ристикой односигнальной избирательности (рис. 1.3, а). Посколь­ку в современных РПрУ пределы изменений Se(Δf) весьма зна­чительны, обычно используется оценка избирательности в децибе­лах: (рис. 1.3,6). Наибольший интерес представляют величины избирательности на частотах, вблизи или на которых в УТ могут попасть помехи. Исходя из этого избира­тельность РПрУ часто характеризуется рядом численных значе­ний для определенных побочных каналов приема: Se_i = K₀/K_Пi, где K_Пi — коэффициент усиления (передачи) УТ на частоте помехи K_Пi i-го побочного канала приема.

Идеальной характеристикой избирательности является прямо­угольная с полосой пропускания, равной ширине спектра полез­ного сигнала, в пределах которой Se = l, а за ее пределами Se→∞. При такой характеристике обеспечиваются неискаженное воспроизведение спектра сигнала и бесконечно большое подавле­ние любой внеполосной помехи. Для оценки степени близости ре­альной характеристики избирательности к идеальной использует­ся коэффициент прямоугольности k_пγ = П_γ/П_0,7, где П_0,7 — полоса пропускания УТ на уровне (3 дБ) иП_γ — полоса на заданном уровне γ который выбирается равным одному из зна­чений: 0,1; 0,01; 0,001 и т. д. Для идеальной характеристики k_пγ = 1, т. е. избирательность тем выше, чем ближе коэффициент пря­моугольности к единице. Реже степень близости реальной харак­теристики избирательности к идеальной оценивают средней кру­тизной ее скатов или ослаблением при заданной расстройке от частоты f₀.

В большинстве систем радиосвязи и радиовещания полезные сигнал принимается на фоне одной или нескольких значительных по уровню внеполосных помех, при этом даже незначительная не­линейность УТ приводит к таким эффектам, как перекрестная мо­дуляция, сжатие амплитуды, блокирование, интермодуляция. Пе­рекрестная модуляция проявляется в переносе модуляции помехи на полезный сигнал. Если колебание сигнала модулировано, пе­рекрестная модуляция ухудшает отношение сигнал/помеха (С/П) или делает прием полезного сообщения вообще невозможным. Сжатие амплитуды радиосигнала, т. е. нарушение линейной за­висимости между амплитудами сигнала на выходе и входе УТ, на­блюдается в режиме большого полезного сигнала и обусловлено уменьшением средней крутизны усилительных приборов (УП) за период под его воздействием. Блокирование полезного сигнала возникает также вследствие уменьшения коэффициента усиления УТ, но уже под действием сильных мешающих сигналов с частотами, отличающимися от частот основного и побочного каналов приема.

Интермодуляция заключается в том, что при воздействии на какой-либо нелинейный элемент в УТ двух или более помех с частотами f_п1, f_п2, f_п3, … на выходе этого элемента возникает слож­ный спектр интермодуляционных колебаний вида mf_п1 ± nf_п2 ± рf_п3 ± ..., где m, n, p — целые числа. Если частоты одной или нескольких составляющих этого спектра совпадают с частотой на­стройки РПрУ или любого побочного канала приема, такие со­ставляющие усиливаются в УТ наравне с полезным сигналом, на­кладываются на него, снижают отношение С/П и искажают при­нимаемое сообщение. Указанные эффекты подробно рассмотрены в § 10.6.

В условиях действия сильных помех, приводящих к указанным эффектам, наиболее полную характеристику избирательных свойств приемника дает эффективная, или многосигнальная, час­тотная избирательность. Для оценки двух- или трехсигнальной избирательности на вход приемника от измерительных генерато­ров подаются соответственно два или три колебания, имитирую­щие сигнал и помехи с определенным соотношением частот и па­раметров модуляции.

Помехоустойчивостью называют способность РПрУ обеспечи­вать нормальное функционирование в условиях воздействия опре­деленной совокупности помех, Существуют различные критерии количественной оценки помехоустойчивости: вероятностный, энер­гетический, артикуляционный. При приеме дискретных сигналов применяется вероятностный критерий, связанный с определением средней вероятности искажения элементарного сигнала р₀, зави­сящей от превышения сигнала над помехой h. График функции р₀(h) называется характеристикой помехоустойчивости, вид кото­рой зависит от типа модуляции сигнала, свойств среды распро­странения электромагнитных волн и других факторов. При приеме аналоговых сигналов для оценки помехоустойчивости удобен энер­гетический критерий, предполагающий измерение отношения мощ­ностей или эффективных напряжений сигнала и помехи на выходе РПрУ при заданном отношении С/Ш на входе. Артикуляционный критерий используется для оценки помехоустойчивости приема речевых сообщений и реализуется путем количественной эксперт­ной оценки разборчивости передаваемых тестовых текстов.

Такие из перечисленных выше показателей, как реальная чув­ствительность, избирательность и помехоустойчивость, в значи­тельной мере определяют характеристику электромагнитной со­вместимости (ЭМС), отражающую возможность РПрУ работать как в комплексе с оказывающими влияние радиоэлектронными устройствами данной радиосистемы (внутрисистемная ЭМС), так и с другими радиосистемами (межсистемная ЗМС), Указанные показатели характеризуют прежде всего восприимчивость радио­приемника к мешающим электромагнитным воздействиям через антенну и по цепям питания, управления и коммутации. Однако следует отметить, что содержащиеся в РПрУ генераторные, циф­ровые и иные устройства создают узкополосные или широкопо­лосные электромагнитные излучения, которые могут явиться по­мехами для других радиоэлектронных средств. Проблема обеспе­чения ЭМС возникает, например, при размещении РПрУ вблизи РПдУ на подвижных объектах (судах, самолетах, космических аппаратах) или при работе от общих антенн.

Передаваемые по радиоканалу сообщения могут искажаться в приемном тракте как вследствие недостаточной ЭМС приемника, так и непосредственно из-за неидеальности его характеристик. Способность приемника в отсутствие помех воспроизводить на вы­ходе закон модуляции входных сигналов с заданной точностью называют верностью воспроизведения сообщений. Количественно верность воспроизведения оценивается искажениями выходного сигнала — изменениями его формы по отношению к модулирую­щей функции. Различают статические и динамические характерис­тики искажений.

К статическим относятся характеристики линейных искажений, нелинейных искажений и искажений, связанных с ограничением динамического диапазона. Линейные искажения проявляются в различных условиях прохождения отдельных составляющих спект­ра полезного сигнала через приемный тракт. Они обусловлены инерционностью элементов тракта, не сопровождаются появлени­ем в спектре новых составляющих и не зависят от уровня вход­ного сигнала и глубины модуляции. Линейные искажения могут быть амплитудными и фазовыми.

Амплитудно-частотные искажения проявляются в изменении соотношения амплитуд спектральных составляющих и оценивают­ся неравномерностью АЧХ высокочастотного тракта и тракта час­тоты модуляции, называемой характеристикой верности воспроиз­ведения по напряжению X_H(F_M), где X_H = 20·lg(U_ВЫХ/U_{ВЫХ M}); F_M — частота модуляции входного сигнала; U_ВЫХ — напряжение на вы­ходе приемника при произвольной F_M; U_ВЫХ м — то же, при F_M = 400 или 1000 Гц. Характеристика X_H(F_M) фактически является произведением АЧХ приемника по высокой частоте и АЧХ низко­частотного тракта, снимается при неизменных частоте настройки, амплитуде и глубине модуляции входного сигнала. Ее идеальный вид — прямая на уровне 0 дБ. Реальная характеристика верности имеет спады в области нижних и верхних частот, обусловленные особенностями АЧХ соответствующих трактов. Более полную оценку амплитудных искажений с учетом влияния ОУ позволяют получать характеристики верности по звуковому давлению (для радиовещательных приемников) или по яркости (для телевизион­ных приемников).

Фазовые искажения обусловлены тем, что при прохождении через приемник различные составляющие спектра сигнала задер­живаются не на одно и то же время, в результате чего искажает­ся форма модулирующего колебания. При идеальной фазочастотной характеристике (ФЧХ) φ( f ) в виде линейной зависимости такие искажения отсутствуют. Для оценки фазовых искажений в РПрУ используется характеристика группового времени запазды­вания (ГВЗ), представляющего собой производную по частоте от ФЧХ: . Идеальная характеристика ГВЗ представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс на уровне среднего зна­чения τ_{з ср}, мерой искажений служит неравномерность характерис­тики. Фазовые искажения не оказывают заметного влияния на слуховой прием монофонического вещания, однако существенно сказываются на качестве приема телевизионных, цифровых и ряда других сигналов.

Нелинейные искажения обусловлены главным образом нелинейностями характеристик усилительных элементов, связаны с появлением в спектре модулирующего сигнала на выходе РПрУ новых составляющих и зависят от уровня сигнала и глубины мо­дуляции. Оцениваются они коэффициентом гармоник модулирую­щего сигнала , где U_вых1, U_вых2, U_вых3 — эффективные значения напряжения соответствующих гар­монических составляющих частоты модуляции F_M. Нелинейные ис­кажений возникают на участках приемного тракта с высокими уровнями сигнала и при слуховом приеме, например, ухудшают его качество.

Таким образом, максимальный уровень входного сигнала E_Адоп в приемнике ограничен допустимыми нелинейными искажениями в УТ. Минимальный уровень E_А0 определяется, как отмечалось ранее, уровнем собственных шумов, т. е. реальной чувствительно­стью приемника. Эти уровни ограничивают динамический диапа­зон (ДД) по основному каналу РПрУ D = 20lg(E_Адоп/E_А0), харак­теризующий пределы изменения уровня входных сигналов Е_А, при которых обеспечивается допустимая потеря информации, со­держащейся в полезном сигнале. В пределах ДД, который у со­временных приемников может достигать 100... 120 дБ, нелиней­ные искажения оцениваются по амплитудной характеристике U_ВЫХ(Е_А), близкой в этих пределах к линейной. Нелинейные ис­кажения полезного сигнала могут возникать не только из-за его высокого уровня, но и вследствие воздействия сильной помехи в соседнем канале приема. Для оценки этих искажений вводится понятие «динамический диапазон по соседним каналам».

При визуальном приеме существенное значение имеют дина­мические характеристики переходных процессов, позволяющие оценивать линейные искажения импульсных сигналов. Переходной характеристикой РПрУ называется временная зависимость выход­ного напряжения U_ВЫХ(t) при подаче на вход Е_А в форме радио­импульса (рис. 1.4). Искажения фронта и плоской части импуль­са характеризуются рядом параметров. Время запаздывания t_з — время с момента начала входного импульса до момента), когда достигается U_ВЫХ = 0,5U₀, где U₀ = U_ВЫХ(t) при t→∞, т. e. устано­вившееся значение выходного сигнала. Время изменения U_ВЫХ(t) от 0,1 до 0,9U₀ называется временем нарастания t_H или длитель­ностью фронта импульса. Выбросы переходной характеристики оцениваются как Δ_i = ΔU_ВЫХi / U₀, где ΔU_ВЫХi — максимальные от­клонения амплитуды выходного напряжения от установившегося значения. При прекращении импульса E_A(t) имеет место переход­ный процесс, характер и длительность протекания которого могут отличаться от процессов формирования фронта, поэтому вводится время спада t_c как время уменьшения U_ВЫХ(t) от 0,9 до 0,1 U₀. Переходные процессы приводят, например, к появлению многоконтурности изображения в телевизорах, повышению вероятности ошибки при приеме цифровых сигналов. В РПрУ с угловыми ви­дами модуляции (манипуляции) существенны искажения при скачках не амплитуды, а частоты или фазы сигнала.

К характеристикам частотной настройки РПрУ относятся: диа­пазон рабочих частот f_{0 min} ... f_{0 max}, в пределах которого приемник может плавно или дискретно перестраиваться: набор рабочих частот приемника, предназначенного для приема сигналов на фик­сированных частотах. В обоих случаях на всех частотах настрой­ки должны обеспечиваться все другие электрические характеристики РПрУ. Диапазон рабочих частот характеризуется коэффи­циентом перекрытия диапазона k_д = f_{0 min} ... f_{0 max.} Для повышения k_д при сохранении заданного качества приема диапазон рабочих час­тот разбивают на поддиапазоны с равными коэффициентами пе­рекрытия или равными частотными интервалами. К характерис­тикам частотной настройки относятся также погрешность настрой­ки и ее отсчета, плотность настройки, шаг перестройки по частоте.

Среди других электрических характеристик РПрУ — парамет­ры ручных и автоматических регулировок усиления, полосы про­пускания, автоматической подстройки частоты и фазы гетеродина, мощность и другие параметры системы питания.

К основным конструктивно-эксплуатационным характеристикам РПрУ относятся надежность работы, массогабаритные показате­ли, стабильность и устойчивость работы, экономичность питания, ремонтоспособность и эргономические показатели.

Основными производственно-экономическими характеристиками являются: стоимость, степень интеграции, степень унификации, соответствие мировым стандартам, сроки разработки, серийноспособность, вид технологического процесса.

Следует особо подчеркнуть, что перечисленные выше основные показатели и характеристики РПрУ не просто представляют со­бой набор отдельных свойств, а образуют сложную систему взаи­мосвязанных и взаимозависимых качеств приемника. Так, его стоимость чаще всего находится в противоречии с другими харак­теристиками и для ее снижения без существенного ухудшения электрических параметров приходится, в частности, повышать сте­пень интеграции, приемника, что, в свою очередь, требует новых схемотехнических решений и перехода к новым технологиям.

Литература: Н. Н. Фомин, “Радиоприемные устройства”, Издате6льство «Радио и связь», Москва, 1996.

19