2.2 Характеристики й параметри радіоприймача при односигнальному впливі

За допомогою односигнальних методів оцінюють параметри основного й побічного каналів прийому, що впливають, на ЕМС радіоприймачів при їхній роботі в лінійному режимі. Основний канал прийому займає смугу частот, що знаходиться в смузі пропускання приймача й призначену для прийому корисного радіосигналу [2].

До параметрів основного каналу відносяться:

чутливість,

динамічний діапазон,

частотна вибірковість,

смуга пропускання,

коефіцієнт прямокутності,

частота настроювання,

нестабільність частоти гетеродина,

відношення сигнал/шум на виході.

Побічні канали на проміжній частоті, на дзеркальній частоті, на комбінаційних частотах, на субгармониках характеризуються рівнем сприйнятливості й частотою.

Чутливість радіоприймача характеризує його здатність забезпечувати прийом корисного радіосигналу на фоні власних шумів при відсутності радіозавад і відтворювати його на виході із заданою якістю. Кількісно цей параметр визначається мінімально необхідною потужністю (або ЕРС) сигналу в антені, при якій забезпечується номінальне значення напруги або потужності на виході приймача, при заданих параметрах модуляції радіосигналу й відношенні сигнал/шум на виході [2,4].

Наприклад, при вимірі чутливості віщальних радіоприймачів, призначених для прийому AM сигналів, глибина модуляції радіосигналу встановлюється рівною 30% (коефіцієнт модуляції т=0,3), а частота модуляції – 1 кГц [2]. При цьому потужність вихідного сигналу приймача становить приблизно 10% від свого номінального значення

.

Розрізняють порогову (граничну) й реальну чутливість радіоприймача.

Порогова чутливість приймача визначається мінімальним рівнем радіосигналу на його вході при рівних рівнях корисного сигналу й власних шумів на його виході, тобто при відношенні сигнал/шум за потужністю на виході . За поріг сприйнятливості приймача до завадових радіовипромінювань в основному каналі прийому також приймається рівень власних шумів, тобто його порогова чутливість.

Реальна чутливість радіоприймача визначається мінімальним рівнем радіосигналу на його вході, при якому забезпечується номінальна потужність корисного сигналу на його виході й задане перевищення рівня потужності сигналу над рівнем шумів, тобто відношення сигнал/шум на виході повинне бути .

Наприклад, для віщальних AM приймачів у діапазонах ДВ, СВ і KB вихідне відношення сигнал/шум повинне бути не менш 20 дБ, а в діапазоні УКВ при частотній модуляції несучої – не нижче 50 дБ [2].

Реальна чутливість приймача, обмежена його власними шумами, може бути розрахована за формулою [3]

, (2.1)

де =1,38 10^-23 – постійна Больцмана, Дж/К;

–абсолютна температура навколишнього середовища, К;

–ефективна шумова температура антени, К;

–ширина ефективної смуги шумів приймача, Гц;

–коефіцієнт шуму приймача;

–необхідне відношення сигнал/шум на виході.

У діапазоні 30...120МГц при кімнатній температурі (=293К) відношення/, де у мегагерцах [3]. На більш високих частотах(f>120 МГц) відношення . У цьому випадку реальна чутливість

, (2.2)

а гранична чутливість (і поріг сприйнятливості)

. (2.3)

Мірою лінійності основного каналу прийому при відсутності радіозавад є його динамічний діапазон , чисельно дорівнює відношенню максимальної амплітуди радіосигналу на вході приймача, при якій нелінійні спотворення дорівнюють припустимому значенню, до його мінімальної амплітуди ,при якій відношення сигнал/шум на виході дорівнює заданій величині [3]:

при (2.4)

Динамічний діапазон характеризує припустимі межі зміни амплітуди вхідного радіосигналу, у середині яких забезпечується необхідна якість вихідного сигналу.

Максимальна амплітуда сигналу обмежується зверху нелінійністю вольт-амперної характеристики активних елементів (діодів, транзисторів і ін.) підсилювальних і перетворювальних каскадів приймача. Мінімальна амплітуда вхідного радіосигналу обмежується знизу рівнем власних шумів приймача, тобто його чутливістю. Динамічний діапазон приймачів залежить від їхнього призначення й класу й може мати значення 100...120 дБ і більше.

Частотна вибірковість радіоприймача забезпечує можливість виділення корисного сигналу на фоні завадових радіовипромінювань завдяки розходженням у їхніх спектральних характеристиках. Графік односигнальної частотної вибірковості (рис. 2.2) характеризує здатність приймача послабляти дію завади залежно від величини відхилення її частоти стосовно частоти настроювання приймача (до частоти сигналу). На графіку по осі абсцис відкладають величину розстроювання, а по осі ординат величину ослаблення, дБ,

(2.5)

де – коефіцієнти підсилення приймача на частоті настроювання і при розстроюванні на .

Рисунок 2.2 - Характеристика частотної вибірковості приймача

А. Основний канал прийому РПрП.

Смуга пропускання приймача по основному каналу обмежена двома частотами ( і на рис. 2.2), на яких ослаблення рівня сигналудорівнює 3 дБ. Ширину смуги пропускання звичайно вибирають рівній необхідній ширині частот із урахуванням припустимого відхилення частоти радіолінії в обидва боки від привласненої частоти:

_, (2. 6)

де величина частотної неузгодженості

залежить від нестабільності частот настроювання передавача і приймача ..

Ідеальна характеристика вибірковості, на відміну від показаної на рис. 2.2, повинна бути прямокутною. При такій формі характеристики складового спектра сигналу в межах смуги пропускання надходять на вихід приймача без перекручувань і ослаблення (S= 0 дБ), а шуми й завади за межами смуги повністю придушуються (S= ∞). Представлення про ступінь близькості реальної (рис. 2.2) і ідеальної прямокутної характеристик вибірковості даєкоефіцієнт прямокутності , дорівнює відношенню ширини смуги частот на рівніX дБ, до ширини смуги пропусканняна рівні 3 дБ:

(2.7)

Недостатня крутість схилів характеристики вибірковості приймача є причиною появи в основному каналі прийому завад від радіопередавачів, що працюють на частотах сусідніх каналів, зміщених на величину щодо частоти основного каналу. На рис. 2.2 пунктирною лінією показана характеристика вибірковості одного із сусідніх каналів на частоті_.

Величина ослаблення завад, що проникають із сусідніх каналів, нормуються. При AM віщанні в діапазоні ДХ, СХ несучі сусідніх за частотою каналів рознесені на 9 кГц, що відповідає ширині необхідної смуги частоти із урахуванням припустимого відхилення привласненої частоти в обидва боки від її номінального значення.

Установлені для побутових радіомовних приймачів норми вимагають, щоб односигнальна вибірковість по сусідньому каналу, що визначає ослаблення завади, при розстроюванні становила не менш 26...56 дБ залежно від класу приймача [2].

Математична модель характеристики частотної вибірковості може бути представлена у вигляді кусочно-лінійної функції від логарифма розстроювання по частоті [3]:

(2.8)

де –величина ослаблення сигналу при розстроюванні на щодо центральної частоти УПЧ, дБ;

–розстроювання на початку і в кінці і-ої ділянки апроксимації характеристики вибірковості, Гц;

–нахил 1-ої ділянки характеристики вибірковості, дБ/дек,

. (2.9)

У випадку, якщо відомі (або обмірювані) смуги частот на рівнях 3, X і 60 дБ ( на рис. 2.2), модель характеристики вибірковості приймача включає три ділянки лінійної апроксимації (0, 1, 2), показані на рис. 2.3.

Нахил характеристики на ділянках 1 і 2 описується виразами:

;

, (2.10)

де і– коефіцієнти прямокутності характеристики вибірковості.

У випадку, якщо відомо коефіцієнт прямокутності характеристики , її модель складається із двох ділянок апроксимації (0 і 3 на рис. 2.3) і з урахуванням формул (2. 8), (2. 9), (2.10) може бути представлена у вигляді

(2.11)

Рисунок 2.3 - Апроксимація характеристики частотної вибірковості приймача

Наприклад, для моделі характеристики вибірковості радіомовного AM приймача зі смугою пропускання 9 кГц і коефіцієнтом прямокутності з (2.11) одержуємо

(2.12)

Розрахунки по (2.12) ослаблення завад, зміщених по частоті щодо несучої на 9 кГц (завада по сусідньому каналу) або ±15 кГц, дають значення, рівні відповідно 26 і 44,7 дБ.

Якщо коефіцієнти прямокутності не відомі, то прийнято використовувати апроксимацію характеристики вибірковості з нахилом V= 100 дБ/дек, показану на рис. 2.3 лінією 4. При цьому , . Рівняння характеристики 4 має вигляд

У цьому випадку ослаблення заважаючих сигналів, розстроєних щодо частоти настроювання приймача на ±9 і ±15 кГц, складуть відповідно 33 і 86 дБ.

Б. Побічним каналом прийому називається смуга частот, що перебуває за межами смуги пропускання основного каналу, у якій заважаючий сигнал, може проходити на вихід радіоприймача [2]. Заважаючі сигнали, можуть проникати на вихід приймача по побічних каналах прийому, номінальні частоти яких мають фіксоване значення при настроюванні приймача на частоту сигналу (як це показано на рис. 2.2). Побічні канали утворяться в змішувачах супергетеродинних приймачів. Їхня поява обумовлена недостатньою вибірковістю преселектора приймача й нелінійністю процесу перетворення частоти в змішувачі, на виході якого утворяться коливання гармонік і комбінаційних частот корисного сигналу, гетеродина й завад. Сигнал на вході змішувача (корисний або завадовий) попадає в смугу пропускання тракту ППЧ приймачаі проходить на його вихід, якщо виконується умова [2, 3]

, (2.13)

де  _– частота вхідного діючого сигналу;

–частота гетеродина;

–проміжна частота;

–номера гармонік сигналу й гетеродина.

Величина називається порядком побічного каналу. З (2.13) середні (центральні) частоти побічних каналів

.(2.14)

При верхньому настроюванні гетеродина і різницевій проміжній частотііз(2.14) виходять наступні частоти побічних каналів прийому:

- побічний канал на проміжній частоті (2 на рис. 2.2) має середню частоту при . Він утворюється внаслідок недостатньої вибірковості преселектора приймача (вхідних контурів і УВЧ). У приймачах магістрального радіозв’язку 1,2 і 3-го класів заважаючі сигнали на проміжній частоті повинні послаблятися не менш, ніж на 100, 80 і 60 дБ, а в побутових радіоприймачах AM сигналівна частотах 280 і 560 кГц – не менш, ніж на 40...26 дБ залежно від їхньої групи складності[2, 8].

- побічний канал прийому на дзеркальній частоті (3 на рис. 2.2) має середню частоту при . Він утвориться також внаслідок недостатнього ослаблення заважаючих сигналів у преселекторі приймача. Відповідно до встановлених норм [2, 8] односигнальна вибірковість по дзеркальному каналу приймачів магістрального зв’язку 1, 2 і 3-го класів повинні бути не менш 90, 70 і 60 дБ. У побутових радіомовних AM приймачах завада по дзеркальному каналу повинна послаблятися не менш чим на 70.. .40 дБ у діапазоні ДВ залежно від їхньої групи складності.

- комбінаційні канали прийому (4 на рис. 2.2) на гармоніках гетеродина із частотами , і т.д. має середню частоту при

- нелінійні побічні канали прийому з’являються начастотах при у випадку, якщо рівень вхідного сигналу досить великий і він піддається нелінійному перетворенню в змішувачі приймача, у результаті чого в змішувачі утворятьсяйого гармоніки.

Наприклад, при взаємодії першої гармоніки гетеродина і другої гармоніки заважаючого сигналу утворяться побічні канали прийому (5 на рис. 2.6) на субгармоніках частоти настроювання приймача, і частоти дзеркального каналу . Взаємодія других гармонік заважаючого сигналу і гетеродина приводить до появи напівдзеркального каналу на частоті . Необхідне ослаблення завад по комбінаційних каналах прийому для приймачів магістрального радіозв’язку 1, 2, 3 класів якості повинне бути не менш 80, 66 і 60 дБ [2, 8].

Чим більше ступінь нелінійності процесу перетворення частоти в змішувачі приймача, тим більше з’являється гармонік і пов’язаних з ними побічних каналів прийому. Зі збільшенням номера гармоніки сигналу р її амплітуда, як правило, зменшується, і відповідно зменшується дія пов’язаної з нею завади. Тому в практичних розрахункахобмежуються значеннями

Сприйнятливість побічних каналів прийому виражають у децибелах щодо чутливості основного каналу (див. рис. 2.2). Цей параметр показує, наскільки чутливість побічного каналу гірше чутливості основного. Вимір ослаблення чутливості по побічних каналах звичайно проводиться односигнальним методом (у відсутності корисного сигналу).

Динамічний діапазон по побічному каналу прийому [2, 3] – відношення максимальної амплітуди заважаючого сигналу на частоті одного з побічних каналів до мінімальної амплітуди корисного сигналу при якій забезпечується задане відношення сигнал/(шум + завада) на виході приймача, характеризує вибірковість приймача від завад по побічних каналах:

,

де  – відношення потужності корисного сигналу до сумарної потужності внутрішніх шумів і завад з побічного каналу.

Сприйнятливість по побічним каналах залежить від ослаблення заважаючого сигналу, у преселекторі приймача й від виду нелінійності характеристики змішувача. З ростом порядку N побічного каналу його сприйнятливість падає. Найнебезпечніші завади по побічних каналах, що мають порівняно невелике розстроювання стосовно частоти настроювання приймача, тому що їхні сигнали недостатньо послабляються його преселектором або в тракті УПЧ. До таких побічних каналів відносяться дзеркальний канал, напівдзеркальні канали й канал проміжної частоти. Ослаблення завад, що надходять на вихід приймача по зазначених побічних каналах, повинне бути найбільшим. Норми на вибірковість по інших побічних каналах менш тверді. Наприклад, для магістральних приймачів 1, 2 і 3-го класів необхідні величини ослаблення завад по дзеркальному каналу становлять не менш 90, 70, 60 дБ, а по комбінаційних каналах вони становлять відповідно 80, 66 і 60 дБ [2].

Гранична сприйнятливість приймачів до завад, що надходять по побічних каналах, має значний розкид [3]. Рівень порога сприйнятливості для будь-яких приймачів, настроєних на довільну частоту, може бути апроксимований виразом [3]

,(2.15)

де –гранична (або реальна) чутливість приймача на частоті основного каналу , дБм;

I – коефіцієнт, що характеризує швидкість убування сприйнятливості в міру видалення частоти побічного каналу від частоти настроювання, дБ/дек;

C – ослаблення сприйнятливості по побічному каналу прийому щодо основного, дБ.

Параметри моделі сприйнятливості по побічних каналах, утворених 1-ю гармонікою гетеродина , наведені в табл. 2.1, у якій узагальнені результати статистичної обробки даних вимірів широкого класу приймачів [3].

Таблиця 2.1 - Параметри моделі сприйнятливості

Частота настройки
	1, дБ/дек	С, дБ	I=0 С=0	I, дБ/дек	С, дБ
<30	-20	80		25	85
30<<300	-20	80		35	75
>300	-20	80		40	60

Для комбінаційних побічних каналів, що утворяться при участі другої й третьої гармонік гетеродина ослабленняC збільшується відповідно на 15 і 20 дБ стосовно даних, наведених у табл. 2.1 [3].