Прочие параметры приемника

В ГОСТ 12252-86 дополнительно (по отношению к стандарту ETS 300 113) определяются следующие требования к приемнику:

• Коэффициент нелинейных искажений приемника

• Уровень фона приемника

• Отклонение амплитудно-частотной характеристики приемника от характеристики с послекоррекцией -6 дБ/октаву

• Защищенность приемника по цепям питания и управления

Первые три параметра являются следствием использования в системе связи аналогового сигнала модулирующего сигнала и для цифровых радиостанций не применимы.

Защищенность приемника по цепям питания и управления, в общем, соответствует определению избирательности приемника по побочным каналам приема и блокированию с тем отличием, что мешающий сигнал подается не на антенный вход приемника, а в цепи питания и управления. Защищенность приемника по цепям питания и управления должна быть не менее 80 дБ.

2. Функциональная схема радиостанции

1. Функциональная схема передатчика

Функциональная схема передатчика определяется, главным образом, методом модуляции несущей частоты. С этой точки зрения можно выделить две основные группы схем передатчиков: модуляция на промежуточной частоте с последующим переносом модулированного сигнала на несущую частоту (рис.8.2) и непосредственная модуляция несущей частоты в синтезаторе частоты (рис.8.3).

Фильтр обкатки

Модулятор

Фильтр ПЧ

Фильтр ВЧ

IF

Усилитель мощности

RF

Синтезатор частот

Модулирующий Промежуточная

ФНЧ

Опорный генератор

цифровой сигнал частота

К антенне

Рис.8.2. Функциональная схема передатчика с модуляцией на промежуточной частоте

Фильтр обкатки

Синтезатор частоты

Усилитель мощности

ФНЧ

К антенне

Опорный генератор

Модулирующий

цифровой сигнал

Рис.8.3. Функциональная схема передатчика с непосредственной модуляцией несущей частоты

Ранее уже отмечалось, что при модуляции на промежуточной частоте можно построить оптимальный модулятор, но при переносе модулированного сигнала на ВЧ возникают проблемы с подавлением комбинационных составляющих, генерированных в смесителе. При непосредственной модуляции несущей частоты в синтезаторе возникают проблемы с поддержанием заданной величины девиации во всей рабочей полосе частот передатчика.

В любом случае передатчик должен обеспечивать выполнение параметров электромагнитной совместимости, а именно:

• стабильность несущей частоты

• минимальную мощность в соседнем канале

• правильное распределение мощности в рабочем канале

• подавление побочного радиоизлучения

• стабильную величину девиации

• правильную переходную характеристику, минимальное время включения и выключения

Стабильность несущей частоты передатчика определяется стабильностью опорного генератора в синтезаторе частоты. В зависимости от класса аппаратуры и диапазона частот используются термостабилизированные или термокомпенсированные кварцевые автогенераторы.

Распределение мощности в рабочем и соседнем канале определяются параметрами baseband фильтра обкатки модулирующего сигнала и методом модуляции. При использовании фазовой модуляции спектр модулированного сигнала непосредственно переносится на несущую частоту. Следовательно, спектральная плотность мощности модулирующего сигнала непосредственно определяет распределение мощности модулированной несущей в рабочем канале и около него (в соседнем канале). При частотной модуляции такого прямого соответствия нет. Не только спектральная плотность мощности модулирующего сигнала, но и величина девиации частоты влияет на распределение мощности в рабочем и соседнем каналах. В любом случае предварительные расчеты позволяют получить точное распределение спектральной плотности мощности в полосе частот рабочего и соседнего каналов.

Побочное излучение генерируется всеми нелинейными элементами радиопередатчика. Конкретно для схемы рис.8.1 побочные спектральные составляющие в спектре передатчика генерируются смесителем, синтезатором частоты и усилителем мощности.

Смеситель, на который поступает модулированный сигнал на промежуточной частоте и рабочая частота от синтезатора, имеет на выходе все возможные комбинации частот вида:

8.5

Подавление этих частот осуществляется полосовым фильтром, установленным на выходе смесителя.

Нелинейные свойства синтезатора частоты проявляются в генерации паразитных комбинационных частот в непосредственной близости от несущей частоты с шагом, равным частоте сравнения на фазовом детекторе:

8.6

Подавление этих частот обеспечивается ФНЧ, установленным в петле ФАПЧ синтезатора (между выходом фазового детектора и входом ГУН).

Нелинейный усилитель мощности генерирует все частоты, кратные рабочей частоте передатчика:

8.7

Подавление этих частот осуществляется ФНЧ, установленным на выходе усилителя мощности.

Девиации частоты в схеме рис.8.1 практически постоянна, т.к. квадратурные модуляторы обеспечивают стабильность девиации с точность до стабильности тактовой частоты цифрового модулирующего сигнала. В схеме рис.8.2 реализуется, по существу, аналоговый способ модуляции путем изменения напряжения на управляемом генераторе ГУН синтезатора частоты. В настоящее время не существует каких-либо специальных схем или алгоритмов, которые бы обеспечивали заданную стабильность величины девиации ГУН во всем частотном диапазоне работы радиостанции. Поэтому схема рис.8.2 применяется только для относительно узкополосных радиостанций с низкими требованиями по стабильности величины девиации.

Временные характеристики передатчика (время включения и выключения) определяются, главным образом, скоростью переключения синтезатора частоты. Существующие микросхемы синтезаторов позволяют получить время переключения синтезатора порядка нескольких миллисекунд. Все остальные активные компоненты радиотракта достаточно широкополосны и не вносят заметного вклада в длительность переходного процесса. Однако влияние фильтров (особенно полосно-пропускающих) уже может быть существенным. Время установление сигнала на выходе фильтра оценивается по известной формуле:

8.8

Переходная характеристика передатчика задается микропроцессором передатчика (рис.7.3) путем правильного изменения управляющего напряжения на усилителе мощности. Другими словами, выключение (включение) передатчика осуществляется не путем ступенчатого снятия (подачи) питания на УМ, а путем плавного изменения управляющего напряжения на УМ, в соответствии с которым изменяется и выходная мощность УМ.

Стабильность несущей частоты в процессе включения (выключения) обеспечивается опережающей (задержанной) командой на переустановку частоты синтезатора по сравнению с командой включения УМ.

2. Функциональная схема приемника

Функциональная схема приемника рис.6.1 включает в себя высокочастотный канал (RF), канал промежуточной частоты (IF) и детектор. В отличие от передатчиков, супергетеродинная схема приемника (с однократным или двукратным преобразованием частоты) является типовой для практически всех радиоприемников вне зависимости от вида модуляции и типа модулирующего сигнала. Эти три основных части приемника должны обеспечивать параметры электромагнитной совместимости, перечисленные в разделе 8.1.2, а именно:

• чувствительность

• избирательность по соседним каналам приема

• избирательность по побочным каналам приема

• интермодуляционная избирательность

Формально чувствительность и избирательность приемника определяются как линейной частью приемника (МШУ, смеситель, полосовые фильтры), так и свойствами детектора и видом модуляции. Влияние элементов линейной части приемника, например, полосовых фильтров, очевидно: чем больше подавление за полосой пропускания фильтра, тем более высокий уровень мешающего сигнала допустим для данного приемника. Влияние типа детектора следует непосредственно из определения чувствительности и избирательности приемника по критерию достоверности приема информации. Очевидно, что при прочих равных условиях приемники АМ и ФМ сигналов будут иметь разную чувствительность, т.к. включают в себя разные типы детекторов и различные алгоритмы последетекторной обработки информации.

Огромное количество алгоритмов последетекторной обработки сигналов и типов детекторов исключают возможность непосредственного использования их характеристических параметров для вычисления чувствительности или избирательности. Вся детекторная и последетекторная часть приемника, включая алгоритм обработки демодулированного сигнала в baseband процессоре, описываются одним интегральным параметром: минимальным соотношением сигнал/шум на входе детектора, при котором достигается заданная достоверность приема информации. Тем самым реально параметры чувствительности и избирательности приемника характеризуют качество исключительно линейной части приемника, показанной на рис.8.4.

Фильтр ВЧ

Малошумящий усилитель

Фильтр ВЧ

Фильтр ПЧ

Рис.8.4 Линейная часть приемника

Чувствительность приемника определяется по известной формуле:

8.9

Общепринято чувствительность приемника определять в логарифмических единицах (дБм) при нормальной температуре (293⁰ Кельвина). В этом случае формула 8.9 преобразуется к следующему виду:

8.10

Требуемое соотношение сигнал/шум на входе детектора и минимально допустимая полоса пропускания приемникаопределяются видом модуляции и типом модулирующего сигнала. При проектировании приемника параметрможно считать заданными, т.к. выбор модуляции и метод последетекторной обработки сигнала определяется на стадии разработки проекта всей системы радиосвязи. Следовательно, линейной частью приемника определяется коэффициент шума линейной части приемникаи, в небольшой степени, полоса пропускания.

Полоса пропускания приемника определяется фильтром промежуточной частоты. Очевидно, что величина полосы пропусканиядолжна быть минимально возможной, при которой обеспечивается неискаженное прохождение модулированного сигнала.

Коэффициент шума линейной части приемника определяется по известной формуле, которая определяет суммарный коэффициент шума последовательного соединения независимых каскадов:

8.11

Из формулы 8.11 следует, что самое большое влияние на суммарный коэффициент шума оказывает коэффициент шума и коэффициент усиления первого каскада. В случае вклад шумов всех последующих каскадов будет незначительный.

Пример 1. В диапазоне частот 450 МГц малошумящий усилитель имеет коэффициент шума 2.2 дБ при усилении 16 дБ, полосой фильтр имеет потери в полосе пропускания 1.5 дБ. При последовательном соединении МШУ-фильтр общая формула 8.11 преобразуется к виду:

8.12

Подставляя численные значения в 8.12, получим:

8.13

Как и следовало ожидать, при значительном коэффициенте усиления МШУ шумы, вносимые полосовым фильтром, пренебрежительно малы м суммарный коэффициент шума (2.3 дБ) практически не отличается от коэффициента шума МШУ (2.2 дБ).

К сожалению, схема с МШУ непосредственно на входе приемника может использоваться только в исключительных случаях и для приемников мобильной связи практически неприменима. При таком подключении все сигналы, принятые антенной, поступают на вход МШУ. Очевидно, что при огромной плотности радиоизлучающих устройств в УКВ и нижнем СВЧ диапазонах, наличии мощных сигналов телевидения и радиолокации, прием собственного сигнала на пороге чувствительности невозможен. Реально работоспособной оказывается только схема с предварительной фильтрацией входного сигнала. Оценим суммарный коэффициент шума последовательно включенных полосового фильтра и МШУ.

Пример 2. Предполагается, что фильтр и МШУ имеют те же самые параметры, что и в примере 1. Суммарный коэффициент шума равен:

8.14

Из сравнения 8.13, 8.14 следует, что установка фильтра на входе МШУ привела к существенному ухудшению суммарного коэффициента шума.

Практически в приемниках мобильной связи распространен компромиссный вариант: фильтр ВЧ разделяется на два, один из которых устанавливается перед МШУ, а второй – после МШУ. Параметры первого фильтра выбираются исходя из требований обеспечения нормальной работы МШУ при наличии мощных мешающих сигналов (требования стандарта по блокированию). Параметры второго фильтра выбираются из требований стандарта по подавлению сигналов на побочных (зеркальных) каналах приема.

Пример 3. Полагаем, что общий ВЧ фильтр с потерями 1.5 дБ разделен на два фильтра: первый фильтр, установленный перед МШУ, имеет потери 0.5 дБ, а второй, установленный после МШУ, имеет потери 1 дБ. Параметры МШУ те же самые, что и в примерах 1,2. Тогда суммарный коэффициент шума в структуре фильтр-МШУ-фильтр будет равен:

8.15

Таким образом, в результате разделения фильтра получен выигрыш по шумам примерно 0.6 дБ по сравнению с вариантом 8.14.

Избирательность приемника по соседнему каналу определяется полосовым фильтром ПЧ, расположенным после смесителя (рис.8.4). Кварцевые фильтры с центральной рабочей частотой имеют предельно узкие полосы пропускания (до 10 КГц). С уменьшением полосы фильтра увеличивается подавление сигналов на соседней рабочей частоте и повышается чувствительность приемника (8.9). Однако в любом случае фильтр должен быть достаточно широкополосным, чтобы не искажать спектр модулированного сигнала.

Входные фильтры ВЧ значительно более широкополосны и не оказывают влияния на избирательность приемника по соседнему каналу.

Избирательность приемника по побочным каналам приема определяется только входным фильтром (в основном, его второй частью после МШУ). Очевидно, что фильтр ПЧ не оказывает влияния на этот параметр, т.к. побочные каналы приема и характеризуются тем, что продукты их преобразования в смесителе с сигналом гетеродина имеют частоту, равную промежуточной частоте приемника.

Интермодуляционная избирательность приемника определяется динамическим диапазоном МШУ. Динамический диапазон характеризует степень линейности МШУ и определяется коэффициентами и. В самом деле, при наличии на входе МШУ двух мощных сторонних сигналов (вне рабочего диапазона частот приемника) на нелинейности МШУ возникают комбинационные составляющие, часть из которых может оказаться в рабочей полосе частот приемника. Чем выше линейность МШУ (больше величинаи) тем меньше амплитуда комбинационных составляющих. Лучшие МШУ обеспечивают нормальную работу приемника при динамическом диапазоне входного сигнала до 110 дБ и мешающих сигналов до 90 дБ.

Выбор первой промежуточной частоты приемника существенно влияет на реализацию параметров электромагнитной совместимости приемника. Прежде всего, первой промежуточной частотой определяется побочный канал приема на зеркальной частоте, отстоящей на величинуот номинальной частоты приема. Следовательно, с уменьшением величины первой промежуточной частоты побочный канал приема на зеркальной приближается к номинальному. Это приводит к повышению требованиий на прямоугольность передаточной характеристики входного ВЧ фильтра, повышению потерь в фильтре и, в конечном счете, к уменьшению чувствительности приемника.

С другой стороны, с ростом первой промежуточной частоты ухудшается экономичность усилителей промежуточной частоты, возникают проблемы с реализацией высокочастотных ЧМ детекторов.

При выборе величины первой промежуточной частоты следует также учитывать, что при наличии в приемнике второго преобразования частоты гармоники первой промежуточной частоты и первого гетеродина не должны совпадать с гармониками второй промежуточной частоты и второго гетеродина.

Практически первая промежуточная частота выбирается примерно на порядок ниже, чем центральная рабочая частота приемника. Поскольку технически невозможно разработать очень широкую номенклатуру фильтров ПЧ, покрывающую все возможные значения промежуточных частот, де-факто эти частоты стандартизованы фирмами-производителями кварцевых и ПАВ фильтров. Общепринятые номиналы промежуточных частот, для которых существует самое большое количество фильтров с различными полосами пропускания, приведены в таблице 8.8.

Таблица 8.8 Рекомендуемые значения промежуточной частоты приемника

Промежуточная частота	Область применения
455 (450) КГц	АМ радио и вторая промежуточная частота
10.7 , 21,4 МГц	УКВ радиосвязь и радиовещание
30, 60 МГц	Радиолокация
43.75 МГц	Телевидение
70 МГц	Спутниковая связь
280 МГц	Связь в ISM диапазоне