Лекция №5
5. Радиоприемные устройства для задач радиомониторинга [2]
5.1 Назначение, структурная схема и области применения
Радиоприемным устройством называют систему взаимосвязанных узлов, с помощью которых происходит извлечение энергии электромагнитного поля, селекция, усиление и преобразование радиосигналов с целью получения заложенной в них информации. Структурная схема радиоприемного устройства (РПУ) показана на рис. 5.1.
Приемная антенна выполняет первую основную функцию радиоприемного устройства — извлекает энергию электромагнитного поля и преобразует ее в электрический сигнал. Радиоприемник осуществляет вторую основную функцию радиоприемного устройства — выделяет и преобразует электрический сигнал, полученный от антенны, усиливает его. Это преобразование выполняется так, чтобы обеспечить нормальную работу оконечного устройства, которое выполняет третью основную функцию радиоприемного устройства — извлечение из принятого сигнала полезной информации,
Первое в мире радиоприемное устройство было создано Александром Степановичем Поповым и продемонстрировано им на заседании физического отделения Русского физико-химического общества 25 апреля (7 мая) 1895 г. На этом заседании он осуществил первый в мире сеанс радиосвязи на расстоянии 30 сажен (64 м).
Радиоприемные устройства, в свою очередь, являются элементами более сложных систем связи, радиовещания, телевидения, радионавигации, радиолокации, радиопеленгации, радиомониторинга, радиоуправления и т.д.
Рис. 5.1. Структурная схема радиоприемного устройства
В настоящее время наиболее известными видами РПУ являются приемники прямого усиления и супергетеродинный приемник. Структурные схемы этих приемников различаются построением тракта радиочастоты.
5.2 Приемник прямого усиления
В приемниках прямого усиления (рис. 5.2) тракт радиочастоты содержит входную цепь и усилитель радиочастоты (УРЧ). В этом случае все резонансные цепи настроены на частоту принимаемого радиосигнала fс, на которой и осуществляется додетекторное усиление. Из приемной антенны сигнал и помехи поступают во входную цепь, назначение которой — согласование выхода антенны с УРЧ, который обеспечивает основную частотную селекцию и додетекторное усиление сигналов, Резонансные контуры УРЧ перестраиваются в пределах диапазона рабочих частот. Так как обычно необходимы высокие селективность и усиление (коэффициент усиления УРЧ может быть порядка 106 .. .107), может потребоваться несколько усилительных каскадов и резонансных контуров. Синхронная перестройка по частоте всех этих блоков является непростой задачей. В диапазоне СВЧ технически трудно согласовать полосы пропускания приемника с шириной спектра полезного сигнала для фильтрации от помех, несовпадающих по частоте с сигналом.
Рис. 5.2. Структурная схема приемника прямого усиления
Из-за конструктивной сложности реализации перестройки число контуров редко бывает больше трех-четырех. При этом усилитель на радиочастоте fс может оказаться неустойчивым, а его селективность недостаточной, так как полоса пропускания колебательного контура П с добротностью Q связана с его резонансной частотой f0=fс соотношением:
П = f0 / Q (5.1)
При переменной настройке селективность и коэффициент усиления изменяются (с увеличением fс полоса П расширяется и, следовательно, селективность уменьшается). Детектор или демодулятор выделяет сообщение из сигнала. Усилитель низких частот усиливает сигнал сообщения до уровня, необходимого для нормальной работы оконечного устройства.
Преимуществами приемников прямого усиления являются простота и относительно низкий уровень собственных шумов.
Детекторный приемник — простейшее РПУ прямого усиления, имеющее минимальное число функциональных узлов, необходимых для приема сигналов: антенну, избирательная цепь, детектор и оконечное устройство. Поскольку в этом приемнике отсутствуют усилительные элементы, помехоустойчивость и качество приема низки. Такие приемники ограниченно используются в СВЧ и оптическом диапазоне.
Рефлексный приемник является одной из разновидностей приемника прямого усиления, в котором один и тот же усилитель используется одновременно для додетекторного и поеледетекторного усиления. Основная идея рефлексного приемника состоит в том, что вначале активный элемент усиливает сигнал радиочастоты, который детектируется и уже как сигнал звуковой частоты подается на вход того же усилителя, Для уменьшения числа усилительных каскадов и упрощения конструкции в приемниках прямого усиления в прошлом широко использовали регенеративные и сверхрегенеративные усилители. В регенеративных приемниках за счет положительной обратной связи в резонансный контур вносится отрицательное сопротивление, частично компенсирующее потери в нем, что увеличивает эквивалентную добротность контура и коэффициент усиления. Однако такие приемники обладают невысокой устойчивостью, так как работают в режиме, близком к самовозбуждению. При этом возможно проникновение генерируемых колебаний в антенну, а их излучение ведет к усилению помех другим приемникам, что крайне нежелательно с точки зрения электромагнитной совместимости (ЭМС).
Сверхрегенеративный приемник — это РПУ прямого усиления, содержащий каскад усиления с мягким контролируемым самовозбуждением. В сверхрегенеративном приемнике положительная обратная связь с УРЧ периодически изменяется с некоторой вспомогательной частотой, значительно превышающей частоту модуляции сигнала. При этом в течение части периода вносимое сопротивление становится отрицательным, и в колебательном контуре возбуждаются колебания. В течение следующей части периода происходит срыв колебаний. Амплитуды этих колебаний превышают амплитуду принимаемых сигналов в 104 раз и более. Их интенсивность пропорциональна действующим на колебательный контур принимаемым сигналам, т.е. генерируемые колебания, в сущности, являются усиленными сигналами. Сверхрегенеративные приемники имеют несколько лучшую устойчивость, чем регенеративные приемники. Их достоинством является высокая чувствительность при простой электрической схеме. Сверхрегенеративному приемнику свойственны искажения сигналов и интенсивные паразитные излучения, что не отвечает требованиям ЭМС.
В супергетеродинном приемнике осуществляется преобразование частоты радиосигнала — линейный перенос спектра принятого сигнала в область, удобную для обработки. Приемники такого типа получили наибольшее распространение. Особенностью супергетеродинного радиоприемного устройства, отличающей его от приемника прямого усиления, является наличие в нем специального каскада для преобразования частоты. Структурная схема приемника приведена на рис. 5.3.
Рис. 5.3. Структурная схема супергетеродинного приемника
Линейный тракт приема содержит относительно широкополосный перестраиваемый преселектор, работающий на частоте сигнала fс, и тракт промежуточной частоты (ПЧ), который работает на фиксированной частоте fпч с полосой пропускания, соответствующей спектру сигнала.
Преселектор, который состоит из входной цепи и УРЧ, обеспечивает предварительное усиление, необходимое для выделения сигнала, и избирательность приемника по побочным каналам приема, главным образом по зеркальному каналу.
Преобразователь частоты — узел, осуществляющий преобразование частоты и состоящий из гетеродина и смесителя. В этом каскаде колебания высокой частоты преобразуются в колебания другой также достаточно высокой ПЧ, которая для любой частоты принимаемого сигнала остается неизменной. В результате преобразования осуществляется линейный перенос спектра принимаемого сигнала из одной области частотного диапазона в другую, обычно в область более низких частот.
Супергетеродинный приемник в отличие от приемника прямого усиления имеет следующие преимущества: высокие избирательность и чувствительность, постоянство избирательности и чувствительности по диапазону и повышенную устойчивость,
Высокая избирательность супергетеродинного РПУ обеспечивается фильтрацией на пониженной ПЧ. Как известно, избирательность зависит от относительной расстройки Δf/f0, которая при неизменной абсолютной расстройке Δf с понижением частоты возрастает. Поэтому избирательные свойства колебательных систем улучшаются. Высокая чувствительность супергетеродинного РПУ также является результатом понижения частоты, так как усилитель ПЧ может иметь довольно большое устойчивое усиление.
Постоянство чувствительности и избирательности по диапазону объясняется неизменностью ПЧ, вследствие чего усилительные и избирательные свойства сохраняются почти без изменений для любой частоты принимаемого сигнала.
Повышенная устойчивость супергетеродинного РПУ обеспечивается в результате распределения усиления по различным трактам частот — высокой и промежуточной. Сокращение числа каскадов, работающих на одной частоте, уменьшает опасность самовозбуждения усилителей за счет обратных связей,
Работа преобразователя частоты в значительной степени определяет показатели супергетеродинного РПУ. В первую очередь преобразователь влияет на такой показатель приемника, как диапазон частот. Перекрытие заданного диапазона частот зависит от работы гетеродина, который должен обеспечить устойчивую генерацию на всем диапазоне принимаемых частот. Амплитуда напряжения гетеродина в пределах диапазона должна сохраняться относительно постоянной, так как она определяет параметры преобразования и, следовательно, постоянство коэффициента передачи преобразователя по диапазону.
Значение ПЧ сильно влияет на работу супергетеродинного РПУ и сказывается на его чувствительности, избирательности и полосе пропускания. Высокая избирательность по соседнему каналу обеспечивается при низкой ПЧ. Хорошая избирательность по зеркальному каналу обеспечивается при высокой ПЧ. Удовлетворить требования высокой избирательности одновременно по обоим каналам затруднительно, поэтому выбор ПЧ представляет инженерный компромисс. В частности, в профессиональных приемниках применяют несколько преобразований частоты.
Первая ПЧ имеет высокое значение, что обеспечивает избирательность по зеркальному каналу. Последняя ПЧ, для обеспечения избирательности по соседнему каналу, обычно имеет низкое значение. При выборе значений ПЧ следует учитывать, что она не должна находиться в полосе принимаемых сигналов. Из этого следует, что значение первой ПЧ должно меняться в зависимости от частоты принимаемого сигнала. Кроме того, следят, чтобы в полосу ПЧ не попадали гармоники гетеродинов.
В ряде случаев достаточно иметь двойное преобразование частоты (рис. 5.4). В таком супергетеродинном РПУ имеются два преобразователя частоты и два усилителя промежуточной частоты. Для обеспечения высокой избирательности по зеркальному каналу первая ПЧ выбирается достаточно большой; высокая избирательность по соседнему каналу, а также узкая полоса пропускания обеспечиваются при достаточно низкой второй ПЧ.
Недостатком супергетеродинного приема является появление побочных каналов приема: некоторые сигналы могут поступать в приемник через антенную цепь и вызывать появление выходного сигнала даже при отсутствии полезного сигнала на частоте настройки. Побочный канал приема — полоса частот, находящаяся за пределами основного канала приема, в которой радиопомеха вызывает появление отклика, обусловленного ее прохождением на вход устройства демодуляции или детектирования.
Рис. 5.4. Структурная схема линейного тракта супергетеродина с двойным преобразованием.
К побочным каналам приема относятся каналы, включающие промежуточные частоты, зеркальные частоты, комбинационные частоты и частоты, которые в целое число раз меньше частоты настройки радиоприемного устройства, а также промежуточных и зеркальных частот.