Лекция №3

1.Назначение, структуры и технические характеристики радиоприемных устройств

1.1. Назначение и виды рПрУ

РПрУ – это комплекс электрических цепей, функциональных узлов и блоков, предназначенных для улавливания распространяющихся в открытом пространстве электромагнитных колебаний искусственного или естественного происхождения в радиочастотном (отдоГц) и оптическом (отдоГц) диапазонах волн и преобразовании их к виду, обеспечивающему использование, содержащейся в них информации.

РПрУ – важная составная часть всех радиосистем, в том числе радиосвязи, радиовещания и телевидения, относящихся по информационному назначению к классу систем передачи информации из одних пунктов пространства в другие.

Диапазоны радиочастот:

НЧ – ДВ – 30 … 300 кГц

СЧ – СВ – 300 … 3000 кГц

ВЧ – КВ – 3 … 30 МГц

ОВЧ – УКВ – 30 … 300 МГц

УВЧ – ДМВ – 300 МГц …3 ГГц

СВЧ – (см) - 3 … 30 ГГц

КВЧ – (мм) - 30 ГГц – 300 ГГц.

1.2. Структуры и принцип действия рПрУ.

История:

1. Работы Г. Герца, Дж. Максвелла, Э. Бракли, О. Лоджа, Н. Теслы 1850 – 1895 гг.

2. 1895 г. – А.С. Попов построил первый РПрУ и продемонстрировал его.

3. 1897 г. – Г. Маркони запатентовал РПрУ (малая чувствительность, когерер).

4. 1898 – 1900 гг. замена когерера детектором, применение резонансных контуров привело к увеличению чувствительности РПрУ.

5. Новый этап с применения эл. ламп – диодов – 1904 – 1907 гг.

6. 1918 г. – разработан принцип супергетеродинного приема.

7. 1926 – 1930 гг. появление экранированных двухсеточных ЭЛ (тетродов) и т.д. пентодов (многосеточных) – развитие СГП.

8. 1930 – 1940 гг. – серийный выпуск РПрУ различного назначения.

9. Параллельно с совершенствованием техники приема разрабатывались системы радиовещания, ТВ, связи. Освоение диапазона частот УКВ, ДМВ, СВЧ.

В этот же период развивалась теория формирования и демодуляции сигналов с различными видами модуляции ЧМ, АМ с ОБП, ФМ, ИКМ и т.д.

10. В начале 40х годов большое внимание уделяется помехоустойчивости приема, основанное на статистических различиях сигналов и полях. 1946 г. – создание теории потенциальной помехоустойчивости (работы Винера, Колмогорова, Сифорова) развивают это направление.

11. В 50е годы новая эра – ППП (транзисторы 1947г.) (исследование ПП и применение в РПрУ с 1923г.)

12. В 60е годы развитие микроэлектроники.

13. В 80е годы внедрение РПрУ аналоговых и цифровых ИМС.

14. 80е – 90е – освоение ПП техникой диапазонов частот до 300 ГГц и выше, развитие оптических диапазонов.

Направление дальнейшего развития:

• Интеграция ТВ, Радио, ПЭВМ и звуковоспроизведения в единый комплекс – мультимедиа.

• Дальнейшее освоение КВЧ и оптического диапазона.

• Широкое внедрение ЦОС и ВТ в РПрУ – цифровой прием. АЦП – до 300 МГц и выше. Интеграция в БИС.

Обобщенная структурная схема рПрУ.

А – антенное устройство, УТ – усилительно-преобразовательный тракт, ИТ – информационный тракт, ГТ – гетеродинный тракт, ТАУК – тракт адаптации управления и контроля, ОК – оконечный тракт, ВИП – вторичный источник питания

А – преобразование энергии ЭМП в электрический сигнал (ток или напряжение ВЧ).

УТ - усиление, селекция и преобразование частоты сигнала, усиление до уровня, необходимого для нормальной работы демодулятора (детектора).

ИТ – детектирование (оптимальное выделение сигнала на фоне помехи (шума) – оптимальная фильтрация с точки зрения наибольшей достоверности и точности воспроизведения переданной информации) – последетекторная обработка сигнала для улучшения качества принятого сигнала.

ГТ – преобразует частоту внутреннего или внешнего ОГ в сетку высокостабильных частот, необходимую для работы УТ, ИТ и ТАУК – синтезатор частот.

ТАУК – ручное, автоматическое, дистанционное управление всеми режимами работы РПрУ, адаптации параметров РПрУ с целью наиболее достоверного приема информации, здесь же панель индикации режимов и построек РПрУ.

ОУ – преобразует электрический информационный сигнал в требуемый: акустический, ВИ (ТВ), ЦПУ и т.д.

Рассмотренная структура наиболее общая. В конкретных РПрУ составляющие части РПрУ могут строиться по разному: некоторые могут отсутствовать или существенно упрощаться.

В курсе РПрУ рассматриваются традиционно УТ и часть ИТ (демодуляторы).

Прежде чем говорить о ряде параметров, характеризующих качественные показатели радиоприемников, рассмотрим виды приемников и их особенности.

В состав радиоприемного устройства входят антенное устройство – антенна, собственно радиоприемник и оконечное устройство.

На АУ действует электромагнитное поле, возбуждая в ней переменные токи радиочастоты. Приемник выделяет из спектра входных колебаний полезные сигналы, усиливает их, осуществляет обработку, ослабляя действие помех, присутствующих во входном колебании, выделяет из радиочастотного сигнала модулирующий сигнал, соответствующий передаваемому сообщению.

В оконечном устройстве энергия выделяемых информационных сигналов (модулирующих) преобразуется в требуемый соответствующий физический эффект: звук, ТВ изображение, механическое действие и т.д. Прием сигнала ведется на фоне помех.

Действующее на входе РПрУ колебание можно записать в виде:

,

где - детерминированная функция от полезного сигналаи помехи;

- вектор параметров, от которых зависит сигнал. Радиосигнал вещательной станции, например, имеет следующие параметры: амплитуда ; частота; начальная фаза.

Как известно, при модуляции по закону передаваемого сообщения - имеем сигнал с амплитудной модуляцией,- сигнал с частотной модуляцией,- сигнал с фазовой модуляцией.

Приемник должен иметь свойство отделять полезные сигналы от помех по признакам, присущим сигналам. Это свойство называется селективностью или избирательностью.

В зависимости от параметра сигнала, по которому различаются сигналы и помехи, можно назвать следующие виды селективности:

1. Пространственная. Передающие станции сигналов и источники помех могут располагаться под разными углами относительно приемника. Реализуется с помощью направленных свойств антенн.

2. Поляризационная. Радиоволны сигналов и помех могут иметь разную поляризацию. Реализуется с помощью антенн, принимающих сигналы с заданной поляризацией волн.

3. Частотная. Частотные спектры сигналов и помех могут не совпадать. Реализуется с помощью частотно-селективных свойств антенн и приемника.

4. Амплитудная. Используется в основном при приеме импульсных сигналов с помощью пороговых устройств – амплитудных селекторов.

5. Временная. Реализуется отпиранием приемника на время, соответствующее ожидаемому сигналу.

6. По форме сигнала, например, по его кодовой структуре.

Виды селективности в РПрУ могут использоваться комплексно, например, в спутниковых системах связи имеет место пространственная, поляризационная и частотная селективности, что существенно повышает помехоустойчивость связи.