2.3 Характеристики й параметри радіоприймачів при багатосигнальному впливі

У реальних умовах експлуатації радіоприймальних пристроїв на них можуть впливати одночасно з корисним достатньо сильні заважаючі радіовипромінювання, вплив яких проявляється у вигляді нелінійних ефектів блокування, перехресних і інтермодуляційних перекручувань корисного сигналу, його вторинної модуляції. Частоти заважаючих сигналів при цьому можуть мати різні значення, що не збігаються із частотами основного й побічного каналів прийому Канали, що утворяться для прийому завад називаються позасмугові. Завади, що викликають ефекти блокування й перехресної модуляції, проявляють себе тільки в присутності корисного сигналу, що відрізняє їх від завад по побічних каналах.

Багатосигнальна частотна вибірковість характеризує здатність приймача виділяти корисний радіосигнал на фоні власних шумів і заважаючих радіосигналів, що діють на його вході. Вона визначається відношенням рівнів одночасно поступаючих на вхід приймача сигналів на одній або декількох заданих частотах і на частоті настроювання приймача при заданому відношенні на його виході сумарної потужності складаючих завади до потужності корисного сигналу [2, 3].

При вимірі багатосигнальної вибірковості для урахування нелінійних ефектів блокування, перехресних перекручувань, а також прийому інтенсивної завади по побічних каналах на вхід приймача подають два коливання, одне з яких відповідає корисному сигналу, а інше – заваді. Для оцінки інтермодуляційних перекручувань використовують три сигнали: корисний і два заважаючих.

Вплив заважаючих сигналів на характеристику частотної вибірковості приймача показаний на рис. 2.4, де крива I – характеристика односигнальної вибірковості приймача при відсутності або достатньо малому рівні завади , криві2 і 3 – багатосигнальні характеристики вибірковості, отримані при дії інтенсивних завад з рівнями [2, 3]. З рисунку випливає, що збільшення потужності завад приводить до погіршення вибіркових властивостей приймача – розширенню його смуги пропускання й збільшенню коефіцієнта прямокутності частотної характеристики. Ця обставина знаходить своє відбиття в нормах на вибірковість радіоприймачів.

Рисунок 2.4 - Односигнальна (1) і багатосигнальні (2, 3) характеристики частотної вибірковості приймача

Ефект блокування проявляється в зменшенні амплітуди корисного сигналу й відповідного зменшення відношення сигнал/шум на виході приймача в результаті дії на його вході заважаючого сигналу, з частотою, що не збігається із частотою основного й побічного каналів прийому [2, 3]. Блокування виникає в перших каскадах приймача, (УВЧ і змішувачі) через нелінійність вольт-амперної характеристики використовуваних активних елементів (діодів, транзисторів і ін).

Навколо робочої точки, визначеної напругою зсуву , вольт-амперна характеристика нелінійного елемента може бути апроксимована рядом Тейлора й представлена вкороченим поліномом 3-й ступеня [3]:

(2.16)

де –крутість вольтамперної характеристики і її перші дві похідні в робочій точці.

Відомо [3], що у формуванні амплітудної характеристики підсилювального каскаду беруть участь тільки непарні члени ряду (2.16), що апроксимує характеристику нелінійного елемента. Тому, виключивши постійну складову струму і квадратичний член ряду, одержуємо вираз

(2.17)

Підставляючи в (2.17) вхідна напруга у вигляді суми сигналу й завадиодержимо

(2.18)

Як видно з (2.18), у складі вихідного струму нелінійного елемента є коливання із частотами ,,,. На вихід приймача проходить тільки коливання із частотою сигналу, тому що всі інші складові придушуються в процесі фільтрації в ПВЧ і ППЧ.

Амплітуда першої гармоніки струму на частоті сигналу , виділена з (2.18),

. (2.19)

Рівняння (2.19) представляє амплітудну характеристику нелінійного елемента, що характеризує залежність амплітуди першої гармоніки частоти сигналу від діючих на вході напруг сигналу й завади .

Вираз в круглих дужках (2.19) є середньою крутістю вольт-амперної характеристики активного елемента (діода, транзистора та ін.), що залежить від амплітудних значень напруги сигналу і завади. При сильній завадівираз (2.19) можна спростити й представити у вигляді

, (2.20)

де середня крутість залежить тільки від потужності завади:

(2.21)

Рисунок 2.5 - Вплив ефекту блокування: а) на амплітудну характеристику;

б) на амплітуду сигналу

Відношення –параметр, що характеризує нелінійність використовуваного активного елемента, що є причиною появи ефекту блокування корисного сигналу. З (2.20), (2.21) виходить, що при амплітудна характеристика лінійна (1 нарис. 2.5, а), її крутість максимальна і амплітуда першої гармоніки струму, рівна , не залежить від дії завади (рис. 2.5, б). При амплітудна характеристика нелінійна (криві 2 і 3 на. рис. 2.5, а), а середня крутість і амплітуда струму зменшуються в міру збільшення потужності завади. Наслідками ефекту блокування корисного сигналу завадою є зменшення амплітуди вихідного корисного сигналу приймача на (див. рис. 2.5, б) і відповідне зменшення вихідного відношення сигнал/шум.

Характеристика частотної вибірковості щодо блокування представляє залежність амплітуди заважаючого сигналу на вході приймача від його частоти при одночасній дії корисного сигналу й при заданій величині зменшення амплітуди (і відносини сигнал/шум) на виході приймача. Її знімають двосигнальним методом. Вплив блокуючої завади на характеристику вибірковості приймача наведено на рис. 2.5, з якого видно, що збільшення рівня заважаючого сигналу приводить до погіршення вибірних властивостей приймача – розширенню смуги пропускання й зменшенню коефіцієнта прямокутності частотної характеристики.

Параметрами частотної вибірковості щодо блокування є коефіцієнт блокування, динамічний діапазон і рівень сприйнятливості щодо блокування.

Коефіцієнт блокування дорівнює відношенню збільшення (зміни) амплітуди корисного сигналу на виході приймачапід дією завади до амплітуди цього сигналу при відсутності завади [2]:

, (2.22)

де –амплітуди сигналів на виході приймача, пропорційні значенням на рис. 2.5, при відсутності й наявності блокуючої завади, відповідно.

Частота заважаючого сигналу при блокуванні , розташована за межами смуги пропускання УПЧ, може збігатися із частотами сусідніхканалів або мати проміжне значення де індекс «н» позначає нижній сусідній канал, а «в» – верхній) за винятком смуг частот побічних каналів прийому. Смуга частот, у якій спостерігається ефект блокування, називається смугою блокування. Припустима величина коефіцієнта блокування залежить від призначення й класу прийомного пристрою й звичайно не перевищує 10% [3].

Динамічний діапазон щодо блокування , визначається як відношення значення характеристики частотної вибірковості щодо блокування при заданому частотному розстроюванні заважаючого сигналу, щодо основного каналу до чутливості приймача [5]:

,

де –амплітуда заважаючого сигналу на вході приймача;

- мінімальна амплітуда корисного сигналу на вході приймача, що відповідає його чутливості. Залежно від класу приймача його динамічний діапазон щодо блокування звичайно не перевищує 60...70 дБ.

Рівень сприйнятливості щодо блокування визначається як мінімальний рівень заважаючого сигналу на вході приймача на заданій частоті (наприклад, на частоті сусіднього каналу), при якому коефіцієнт блокування дорівнює заданому значенню [2].

Параметри блокування приймачів нормуються. Для приймачів магістрального радіозв’язку KB діапазону рівень блокуючої завади при розстроюванні її частоти на 20 кГц щодо частоти сигналу має бути не менш 60...90 дБмкВ (залежно від класу приймача) і не менш 130 дБмкВ при розстроюванні на 6% [8].

Для зменшення сприйнятливості приймачів щодо блокування варто підвищувати вибірковість вхідних ланцюгів, застосовувати в ПВЧ і змішувачі активні елементи з малим значенням параметра нелінійності .

Перехресне перекручування корисного сигналу є ще одним нелінійним ефектом у приймачі, що викликає перенос модуляції з заважаючого на корисний сигнал.

У результаті цього ефекту виникають перекручування спектра сигналу на виході приймача при дії на вході приймача модульованої радіозавади, частота якої не збігається із частотами основного й побічного каналів прийому [2, 3]. Перехресні перекручування виникають в УВЧ і перетворювачі частоти приймача при впливі на ці елементи модульованого заважаючого сигналу із частотою, близькою до значення частоти настроювання основного каналу прийому, наприклад на частоті сусіднього каналу.

При наявності AM завади й немодульованого корисного сигналу на вході нелінійного елемента діє напруг

(2.23)

де –коефіцієнт амплітудної модуляції заважаючого сигналу ізчастотою .

При підстановці (2.23) в (2.17) і виконанні тригонометричних перетворень отримується вираз для амплітуди першої гармоніки частоти сигналу, що при умовах відносної малості сигналу і невеликої глибини модуляції завади має вигляд

(2.24)

Другий доданок в (2.24) відображає ефект блокування корисного сигналу, а третій доданок – ефект перехресної AM модуляції сигналу завадою із частотою у результаті чого в спектрі вихідного сигналу нелінійного елемента з’являються складові начастотах .При ці завадові складові попадають у смугу пропускання основного каналу й проходять на вихід приймача. Глибина паразитної перехресної модуляції корисного сигналу в (2.24)

(2.25)

Параметрами перехресних перекручувань є коефіцієнт перехресних перекручувань, рівень сприйнятливості й динамічний діапазон приймача по перехресних перекручуваннях.

Коефіцієнт перехресних перекручувань визначається відношенням рівня спектральних складових, виникаючих у результаті перехресних перекручувань, до рівня сигналу на виході приймача при заданих параметрах заважаючого й корисного сигналів [2,3].

З виразу (2.24) виходить, що при немодульованому корисному сигналі коефіцієнт перехресних перекручувань чисельно дорівнює глибині паразитної перехресної модуляції (2.25), тобто . Якщо заважаючий радіосигнал, модульований із частотою , а корисний радіосигнал із частотою , то характеризує відношення величини збільшення (зміни) першої гармоніки вихідного струму за рахунок дії завади до величини збільшення першої гармоніки струму за рахунок корисного сигналу :

(2.26)

У випадку, коли глибина модуляції заважаючого й корисного сигналів рівні ,коефіцієнт перехресних перекручувань дорівнює відношенню максимальної амплітуди спектральної складової із частотою заважаючого сигналу до максимальної амплітуди спектральної складової із частотою корисного сигналу на виході приймача [2]:

(2.27)

Тут –амплітуди спектральних складових на виході радіоприймача із частотою завади і частотою сигналу .

Характеристика частотної вибірковості по перехресних перекручуваннях представляє залежність амплітуди модульованого радіосигналу на вході радіоприймача від частоти при заданому коефіцієнті перехресних перекручувань.

Рівень сприйнятливості радіоприймача по перехресних перекручуваннях при заданому частотному розстроюванні заважаючого сигналу, щодо частоти настроювання приймача визначається по знятій частотній характеристиці при заданому [2].

Відносну частотну вибірковість (сприйнятливість) приймача до перехресних завад характеризує його динамічний діапазон по перехресних перекручуваннях , дорівнює відношенню величини частотної вибірковості по перехресних перекручуваннях на заданій частоті (наприклад, на частоті сусіднього каналу) до чутливості приймача [2, 3]:

,

де  – амплітуда модульованого заважаючого сигналу на вході приймача;

 – мінімальна амплітуда корисного сигналу на вході приймача, що відповідає його чутливості.

Динамічний діапазон є мірою лінійності прийомного тракту, що обмежується зверху появою перехресних перекручувань корисного сигналу заданої величини, а знизу – чутливістю приймача. Величина динамічного діапазону по перехресних перекручуваннях у більшості приймачів не перевищує 55...65 дБ [3].

З (2.27) при заданому коефіцієнті перехресних перекручувань може бути отримана оцінка допустимої амплітуди заважаючого сигналу, , що характеризує рівень сприйнятливості приймача до перехресних перекручувань. Встановлені норми на допустиму напругу перехресної завади в НЧ, СЧ, ВЧ діапазонах для побутових приймачів нульової групи складності становлять 250, 250, 50 мВ відповідно, а для приймачів магістрального радіозв’язку першого класу рівень перехресних завад повинен бути не менш 80 дБмкв [2, 8].

Так як поява ефектів перехресної модуляції й блокування корисного сигналу викликається загальною причиною – зміною коефіцієнта передачі нелінійного елемента (зміною середньої крутості його амплітудної характеристики) під впливом сильного заважаючого сигналу, то заходи щодо зменшення перехресних перекручувань ті ж самі, що й для ефекту блокування.

Інтермодуляція (взаємна модуляція) у радіоприймачі – нелінійний ефект, що виникає при взаємодії на вході приймача двох або більше заважаючих сигналів, частоти яких не збігаються із частотами основного й побічного каналів прийому [2].

Одночасний вплив декількох заважаючих сигналів, на нелінійні елементи УВЧ або змішувача призводить до появи спектральних складових з новими частотами, які можуть попадати в смугу пропускання основного або побічного каналів приймача й створювати завади на його виході. Частоти небезпечних інтермодуляційних коливань порядку , що попадають у смугу пропускання ППЧ, визначаються нерівністю

, (2.38)

де – частоти заважаючих сигналів;

– частота настроювання приймача;

– смуга пропускання ППЧ на рівні –Х дБ;

Для оцінки впливу інтермодуляційних завад смуга частот УПЧ звичайно береться на рівні Х= -60 дБ.

Ця смуга може бути відома або визначена виходячи з використовуваної моделі вибірковості приймача по проміжній частоті. Для моделі вибірковості тракту ППЧ на рис. 2.8 (крива 4) виконується співвідношення , де– смуга на рівні 3 дБ (див. рис. 2.7).

Найбільшу заважаючу дію, створюють інтермодуляційні завади другого і третього порядків виду ; ; , де – частота завади, найближча до частоти настроювання приймача,– найбільш віддалена частота. Положення заважаючих сигналів на осі частот, що створюють такі завади, показане на рис. 2.12. На вхід нелінійного елемента при цьому впливає сумарна напругакорисного сигналу і двох заважаючих :

(2.39)

Рисунок 2.6 - Утворення інтермодуляційних завад у радіоприймачі

Інтермодуляційні складові другого порядку з частотами або , показані на рис. 2.6, а, формується за рахунок квадратичного члена ряду Тейлора (2.26), апроксимуючого вольт-амперну характеристику нелінійного елементу . При підстановці (2.39) в (2.26) за рахунок співвідношення

(2.40)

для амплітуди першої гармоніки частоти сигналу в вихідному струмі нелінійного елементу одержуємо

. (2.31)

Другий доданок в (2.41) відображає дія інтермодуляційнних перекручувань амплітуди корисного сигналу, рівна при відсутності завади . Параметрами інтермодуляційних перекручувань у приймачі є коефіцієнт інтермодуляції, динамічний діапазон по інтермодуляції й рівень сприйнятливості приймача по інтермодуляції.

Коефіцієнт інтермодуляції в радіоприймачі чисельно дорівнює відношенню рівня завади, що з’явилася в результаті інтермодуляції на виході приймача, до рівня сигналу, що відповідає чутливості радіоприймача [2, 3]:

,

де – рівень інтермодуляційної завади на виході приймача;–номінальний рівень сигналу на виході приймача.

З (2.31) одержуємо коефіцієнт інтермодуляції 2-го порядку, рівний відносному рівню інтермодуляційній складовій у струмі 1-й гармоніки:

(2.32)

Найнебезпечніші інтермодуляційні завади 3-го порядку (рис. 2.6, в) із частотами абоде – частота заваджаючого сигналу найближчого до частоти настроювання приймача . Це пояснюється тим, що при утворенні завад 2-го порядку поблизу частоти настроювання приймача перебуває частота тільки одного із двох заваджаючих сигналів на рис. 2.6,а, у той час як при формуванні завад 3-го порядку поблизу частоти настроювання можуть перебувати обидві заваджаючі частоти (рис. 2.6, в). Оскільки завада на більш віддаленій частоті сильніше послабляється в преселекторі приймача, рівень інтермодуляційних перекручувань 3-го порядку, як правило, значно більше, і їх варто враховувати в першу чергу.

Інтермодуляційні завади 3-го порядку утворяться за рахунок впливу кубичного члена ряду Тейлора (2.17). При підстановці у цей вираз (2.29) і виконання тригонометричних перетворень одержуємо вираз для збільшення амплітуди першої гармоніки частоти сигналу, обумовленої впливом інтермодуляційних завад, у вигляді.Звідси коефіцієнт інтермодуляції третього порядку

(2.33)

Рівень інтермодуляції складових швидко зменшується із збільшенням їхнього порядку, тому складові з порядком звичайно не враховується.

Характеристика частотної вибірковості по інтермодуляційних завадах показує залежність рівнів заважаючих сигналів, на вході приймача, створюючих інтермодуляційну заваду, від частоти одного з них при заданому коефіцієнті інтермодуляції.

Характеристику частотної вибірковості по інтермодуляційних завадах вимірюють трьохсигнальним методом. На вхід приймача при цьому подають два заважаючих сигнали з однаковими рівнями й частотам що збігаються із частотами сусідніх каналів, суміжних із частотою настроювання приймачанаприклад, для радіомовних AM сигналів в KB діапазонікГц і. У цьому випадку при взаємодії другої гармоніки завади із частотоюз першою гармонікою завади із частотоюутвориться інтермодуляційна завада на частоті сигналу, на яку настроєний приймач:.Припустимою вважається завада, при якій коефіцієнт інтермодуляції не превищує 3...5% [2].

Динамічний діапазон інтермодуляції в радіоприймачі визначається відношенням величини частотної вибірковості по інтермодуляції в приймачі при заданому частотному розстроюванні щодо основного каналу прийому до чутливості радіоприймача[2]:

де – амплітуда заваджаючих сигналів на вході радіоприймача, що створюють інтермодуляційну заваду;

–мінімальна амплітуда корисного сигналу на вході приймача, що відповідає його реальної чутливості.

Величина динамічного діапазону по інтермодуляційним перекручуваннях у більшості приймачів не перевищує 45...60 дБ.

Рівень сприйнятливості по інтермодуляції радіоприймача визначається як мінімальний рівень заважаючих сигналів при заданому їх частотному розстроюванні щодо частоти основного каналу прийому й заданому коефіцієнті інтермодуляції [2]. Відповідно до норм, установлених для приймачів магістрального радіозв’язку, рівень інтермодуляційних завад 3-го порядку повинен бути не менш 80...60 дБмкВ залежно від класу приймачів [8].

Інтермодуляційна завада на виході приймача може з’являтися як при наявності, так і при відсутності корисного сигналу, на відміну від ефектів блокування й перехресної модуляції, які виникають тільки в присутності корисного сигналу (див. рис. 2.6). За інших рівних умов радіоприймальний пристрій більше сприйнятливий до інтермодуляціних завад у порівнянні з ефектами блокування й перехресних перекручувань. Тому динамічний діапазон приймача по інтермодуляційним перекручуванням, як правило, на 10...15 дБ менше динамічних діапазонів по блокуванню й перехресним перекручуванням. Заходи боротьби з інтермодуляційними завадами заключаються в підвищенні вибірковості вхідних ланцюгів і застосуванні в УВЧ і змішувачі активних елементів з малим значенням параметра нелінійності .

Завідувач кафедри РРМ

ДТН, СНС В.А. ДРУЖИНИН