5.3 Основные характеристики радиоприемных устройств

Наиболее важными характеристиками, определяющими эффективность использования радиоприемных устройств в системах радиомониторинга, являются:

• диапазон рабочих частот;

• амплитудно-частотная характеристика (АЧХ);

• неравномерность коэффициента передачи в рабочем диапазоне;

• коэффициент стоячей волны по напряжению для входа приемника;

• избирательность по побочным каналам приема;

• избирательность по соседним каналам приема;

• коэффициент шума и предельная чувствительность радиоприемного устройства;

• чувствительность радиоприемного устройства по выходу демодулятора;

• динамический диапазон и точки пересечения по интермодуляции второго и третьего порядка;

• порог появления эффекта блокирования;

• величина перекрестных искажений;

• фазовые шумы, стабильность и скорость настройки синтезатора;

• масса и габаритные размеры;

• сложность в производстве и эксплуатации, стоимость.

Диапазон рабочих частот радиоприемника — это диапазон возможных частот настройки, в границах которого обеспечиваются его основные характеристики.

При плавной перестройке диапазон задают предельными частотами f_0min - f_0max Относительный диапазон характеризуют коэффициентом перекрытия

К_п = f_0max / f_0min

Измерительные радиоприемники, анализаторы спектра, селективные микровольтметры отличаются большими коэффициентами перекрытия.

Амплитудно-частотная характеристика линейного тракта приема — это зависимость сквозного коэффициента передачи при фиксированной частоте настройки РПУ. Пример АЧХ показан на рис. 5.5. Количественно АЧХ оценивается четырьмя параметрами: избирательностью 1/k_Δf, при заданной расстройке Δf, полосой П₁ при заданной неравномерности S_п1, коэффициентом прямоугольности П₂/П₁ при заданных уровнях ослабления S_п1/S_п2. неравномерностью АЧХ в полосе прозрачности S_п1.

Рис. 5.5. Оценка неравномерности АЧХ линейного тракта приема

На практике коэффициент передачи тракта РПУ меняется в зависимости от частоты. Пример подобной зависимости показан на рис. 5.6. Обычно в пределах одного поддиапазона неравномерность коэффициента передачи меняется плавно, а местах стыков поддиапазонов наблюдаются разрывы сквозной АЧХ, что связано с коммутацией трактов приемника при перестройке, например, с последней частоты предыдущего поддиапазона на первую частоту следующего поддиапазона.

Неравномерность коэффициента передачи S_k оценивают по максимальному относительному отклонению коэффициента передачи k_max от его среднего значения k₀:

S_k=201g[(k_max - k₀)/k₀]. (5.2)

При использовании РПУ для измерения уровней сигналов неравномерность АЧХ определяет более жесткую (метрологическую) характеристику — предел допускаемой относительной погрешности измерения уровней: максимальное относительное отклонение измеренной величины от ее действительного значения,

Рис. 5.6. Амплитудно-частотная характеристика тракта РПУ: f_i — нижняя частота рабочего диапазона; f_k — верхняя частота рабочего диапазона.

Коэффициент стоячей волны по напряжению.

Если входной импеданс {комплексное сопротивление) приемника отличается от сопротивления кабеля антенной системы, то не вся мощность, передаваемая по кабелю, будет поступать в приемник. Часть мощности сигнала будет отражаться обратно. Отраженный сигнал будет складываться с падающим, когда фазы их совпадают, и вычитаться, когда он будет находиться в противофазе. В результате в подводящем кабеле появится ряд максимумов и минимумов напряжения на интервалах, равных половине длины волны. Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) — это отношение максимума напряжения к его минимуму:

(5.3)

Поскольку U_max=U_пад + U_отр, a U_min= U_пад - U_отр, где U_пад — напряжение падающего сигнала, U_orp —напряжение отраженного сигнала, выражение (5.3) можно переписать следующим образом;

…………(5.4)

где г = U_отр / U_пад – отношение напряжений отраженного и падающего сигналов.

Поскольку отношение мощностей отраженного Р_отр и падающего Р_пад сигналов

(5.5)

КСВН можно записать в следующем виде:

(5.6)

На рис. 5.7 представлена зависимость КСВН от отношения мощности отраженной волны к мощности падающей волны. Если входное сопротивление приемника чисто активно и равно волновому сопротивлению входного кабеля, то КСВН S = 1 и отраженная мощность отсутствует. Если входное сопротивление не равно волновому сопротивлению кабеля, то КСВН становится больше единицы. Если отраженная мощность равняется 10 % падающей мощности, то КСВН S ≈ 2, если отраженная мощность составляет 25 % падающей, то КСВН S ≈ 3. На практике для входных устройств радиоприемных устройств допустимым считается КСВН S < 3.

Рис. 5.7. Зависимость КСВН от отношения мощности отраженной волны к мощности прямой волны

В англоязычной технической литературе для обозначения КСВН используется сокращение VSWR (Voltage Standing Wave Ratio).

Основной канал и побочные каналы приема.

Полоса частот, в которой находится спектр принимаемого сигнала, образует основной канал приема. Частотные полосы, которые примыкают к основному каналу и могут быть заняты спектрами посторонних сигналов, образуют соседние каналы приема.

Образование побочных каналов приема объясняется преобразованием частот в супергетеродинных приемниках. Процесс преобразования частоты состоит в трансформации напряжения высокой частоты сигнала на частоте настройки f₀ в напряжение другой ПЧ f_пч без изменения вида и характера модуляции. При преобразовании частота может как понижаться (f_пч < f₀), так и повышаться (f_пч > f₀).

Преобразователь частоты обычно состоит из местного гетеродина — маломощного генератора, генерирующего колебания частоты fг, и смесителя — элемента, в котором смешиваются колебания исходного сигнала и сигнала гетеродина и выделяется одна из комбинационных частот, например, с понижением частоты (рис. 5.8):

(5.7)

Эта комбинационная частота и является промежуточной частотой. Таким образом, в преобразователе частоты происходит изменение несущей частоты сигнала без искажения содержащейся в сигнале информации.

Рис. 5.8. Смещение частоты принимаемого сигнала

Рис. 5.9. Образование зеркального канала

Смеситель частот создает спектр комбинационных частот при подаче на нее двух или более сигналов разной частоты. В нем происходит перенос спектра сигнала в область ПЧ без нарушения амплитудных и фазовых соотношений составляющих. Однако так же можно принять радиоизлучение и выше частоты гетеродина:

(5.8)

Таким образом, полезному каналу с приемом сигнала на частоте fс соответствует паразитный канал с приемом на зеркальной частоте fзк:

(5.9)

Все внутренние параметры преобразователей частоты для зеркального канала и канала на частоте сигнала совершенно одинаковы. Поэтому зеркальный канал является одним из наиболее опасных паразитных каналов приема (рис. 5.9).

При использовании суммарной частоты частота зеркального канала

(5.10)

Другим побочным каналом, который называют каналом прямого прохождения, является канал, частота которого равна промежуточной (рис. 5.10). Если на вход преобразователя частоты поступает сигнал, частота которого равна промежуточной, то происходит прямое прохождение этого сигнала без преобразования частоты, но с усилением в преобразователе частоты и в каскадах тракта промежуточной частоты.

Следует отметить, что частота канала прямого прохождения постоянна и равна промежуточной частоте, в то время как частота зеркального канала каждый раз меняется при перестройке приемника. Канал прямого прохождения, не связанный с преобразованием частот, является столь же опасным, как и зеркальный канал. Однако при оценке опасности указанных паразитных каналов следует учитывать, что канал прямого прохождения с выбранной fпч фиксирован, а зеркальный канал перемещается за каналом полезного сигнала. Поэтому вероятность прохождения помехи по зеркальному каналу выше, чем по каналу прямого прохождения,

Рис. 5.10. Образование канала прямого прохождения

Рис. 5.11. Образование комбинационного канала

Борьба с побочными каналами приема возможна только в цепях до преобразователя частоты — во входных цепях, цепях преселектора и усилителя высокой частоты. Для устранения помех станций, частота которых равна или близка к промежуточной частоте, на входе приемника (в тракте сигнальной частоты) часто включают специальные фильтры-пробки.

Побочными каналами являются также каналы, частоты которых отличаются от гармоник гетеродина 2f_Г, 3f_Г.....kf_Г на величину f_пч:

(5.11)

где k — любое целое число.

Побочный канал на комбинационных частотах fкк образуется в результате взаимодействия составляющих спектра преобразователя частоты с частотой гетеродина или его гармоник (рис. 5.11):

(5.12)

где m, n - любые положительные и отрицательные целые числа. Частота побочного комбинационного канала

(5.13)

Интерференционный свист (на выходе демодулятора) или появление «двойников» принимаемого сигнала (на спектральной диаграмме) — вид искажений, связанных с происходящими в преобразователе нелинейными процессами. В выходной цепи преобразователя, кроме ПЧ, могут возникнуть комбинационные частоты, близкие к ПЧ. Так, если принимаемый сигнал расположен на частоте в k раз ниже частоты какого-либо побочного канала:

(5.14)

то вследствие искажений в смесителе образуется помеха от k - ой гармоники сигнала.

Для основного канала приема смещению по частоте входного сигнала на некоторый тестовый шаг Δf соответствует такое же смещение по частоте выходного сигнала на величину Δf. При этом знак смещения зависит от конкретного положения гетеродина относительно принимаемого сигнала для данной частоты настройки. Для зеркального канала в этом случае смещению по частоте входного сигнала на некоторый тестовый шаг Δf соответствует обратное смещение по частоте выходного сигнала на величину минус Δf (см. рис. 5.8 и 5.9). Этот свойство используется для различения сигналов основного и зеркального каналов приема,

Для побочных комбинационных каналов, побочных каналов на частотах, в целое число раз меньше частот настройки РПУ, промежуточных частот, зеркальных частот смещению по частоте входного сигнала на некоторый тестовый шаг Δf соответствует смещение по частоте выходного сигнала на величину кратную Δf пропорционально значениям и знакам коэффициентов m и n (соответственно порядку комбинации).

Коэффициенты передачи в полосах основного канала, побочного канала на зеркальной и промежуточной частотах не зависят от уровня входного сигнала (при условии, что тестовые сигналы достаточно малы и режим перегрузки не возникает). При этом изменению уровня входного сигнала на некоторую тестовую величину ΔU соответствует адекватное изменение уровня выходного сигнала приемника на такую же величину ΔU.

Коэффициенты передачи в полосах побочных комбинационных каналов, побочных каналов на частотах в целое число раз меньших частоты настройки РПУ, промежуточных и зеркальных частот зависят от уровня входного сигнала. При этом изменению уровня входного сигнала на некоторую тестовую величину ΔU соответствует неадекватное изменение уровня выходного сигнала приемника на величину kΔU, где k — множитель, зависящий от величины входного сигнала и уровня его гармоник, вида нелинейности преобразователя, величины и знака тестового воздействия ΔU.

Таким образом, существует множество сигналов на разных частотах, преобразуемых в колебания одной и той же ПЧ, в общем случае количество этих сигналов бесконечно. Из этого множества только один сигнал является полезным, остальные соответствуют паразитным каналам приема, поэтому ослабления побочных каналов и канала прямого прохождения должны жестко регламентироваться в технических требованиях к РПУ.

В англоязычной литературе для обозначения промежуточной частоты используется сокращение IF (Intermediate Frequency — промежуточная частота), для обозначения гетеродина (местного генератора) — L0 (local oscillator).

Избирательность или селективность приемника — его способность отделять полезный сигнал, на который настроен приемник, от мешающих сигналов, поступающих через антенную цепь. В большинстве случаев уровень помех в приемной антенне превышает уровень полезного сигнала, что подчеркивает особую важность данной характеристики приемника. Способность приемника отделять полезный сигнал от мешающих основана на использовании отличительных признаков полезных и мешающих сигналов — направления прихода излучений и времени действия, амплитуды, частоты и фазы. Первый признак используется при пространственной селективности, которая реализуется с помощью антенн с острой диаграммой направленности. Второй отличительный признак позволяет осуществить временную селективность, которая сводится к отпиранию приемника только на время действия полезного сигнала. Различие в амплитудах, частотах и фазах полезного и мешающих сигналов положено в основу соответственно амплитудной, частотной и фазовой селективности. Основное значение имеет частотная селективность. Это объясняется тем, что в системах радиосвязи сигналы отличаются по частоте, и их разделение можно осуществить с помощью резонансных цепей и фильтров. Различают два вида селективности: односигнальную и реальную,

Односигнальная избирательность определяется АЧХ фильтров радиотракта приемника без учета нелинейных явлений при действии на входе только одного сигнала (либо полезного, либо мешающего). Количественно односигнальная избирательность оценивается отношением уровня испытательного сигнала на частоте помехи к его значению на частоте полезного сигнала при неизменной настройке и одинаковым выходном напряжении или отношением, показывающим, во сколько раз усиление радиотракта или отдельного каскада приемника для полезного сигнала больше усиления для мешающего сигнала,

Измерение односигнальной избирательности используется для определения рабочих характеристик на достаточно малых уровнях входного радиосигнала, что позволяет избежать влияния нелинейных процессов (например, вызванных перегрузкой) на результаты измерений. Цепи автоматической подстройки (частоты, усиления и т.п.) во время этих измерений отключаются.

Если в технических требованиях на приемник не оговорены частоты на которых должна измеряться избирательность, то ее следует измерять на крайних частотах настройки и в середине каждого поддиапазона.

Рис. 5.12. Структурная схема измерения односигнальной избирательности.

Для снятия кривой селективности односигнальным методом пользуются структурной схемой, приведенной на рис. 5.12.

Обобщенная методика снятия кривой селективности заключается в следующем. Настраивают приемник РПрУ и генератор сигналов (ГС) на нужную частоту. Устанавливают уровень выходного сигнала и величину ослабления вспомогательного аттенюатора такими, чтобы отсутствовали нелинейные явления при приеме испытательного сигнала на частоте настройки. Фиксируют уровни выходного U_H (как нормальный уровень выходного сигнала приемника) и входного U₁ сигналов приемника. Затем повышают частоту ГС на некоторую величину Δf. После этого увеличивают сигнал ГС до уровня, при котором уровень выходного сигнала приемника вновь станет нормальным U_н. Фиксируют уровень входного сигнала приемника U₂ во второй точке измеряемой кривой. Измерения повторяют, увеличивая расстройку Δf ГС до необходимого значения. Затем такими же ступенями изменяют расстройку ГС в область частот, меньших, чем частота настройки приемника.

По полученным данным строят кривую селективности (рис. 5.13). По ней определяют полосу пропускания, коэффициент прямоугольности кривой избирательности, ослабление по соседнему каналу. Для больших расстроек определяют селективность по зеркальному, прямому и комбинационным каналам. Ослаблением сигнала на побочных каналах называется отношение уровня входного радиосигнала на частоте побочного канала, необходимого для получения заданного уровня выходного сигнала, к уровню полезного радиосигнала, необходимого для получения такого же выходного сигнала. Характеристика частотной избирательности по побочным каналам приема при этом определяет зависимость уровня восприимчивости по побочным каналам приема от частоты испытательного сигнала. Полосой пропускания П называется полоса, ограниченная двумя частотами, на которых ослабление уровня сигнала не выходит за пределы заданной величины.

Крутизна скатов частотной характеристики приемника зависит от сложности фильтров селекции в линейном тракте приема и показывает скорость уменьшения коэффициента передачи за пределами полосы пропускания. Крутизна скатов может измеряться в децибелах на герц или в децибелах на октаву или декаду (октава — изменение частоты в два раза, декада — в десять раз)

Достаточную информацию о селективности при измерении одно-сигнальным методом можно получить на основе рассмотрения разности частот, соответствующих ослаблениям сигнала на 20, 40, 60, 80 и 100 дБ, начиная с граничных частот полосы пропускания. Если полученные таким образом величины ослабления близки для нижней и верхней сторон полосы пропускания, то можно указывать только их среднее значение.

Рис. 5.13. Кривая селективности радиоприемника.