РАДИО
ПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
Под редакцией проф. А. П. Жуковского
Допущено
Государственным комитетом СССР по народному образованию в качестве учебного пособия для студентов радиотехнических специальностей вузов
Москва „Высшая школа" 1989
ББК 32.849
Р 15 УДК 621.396.7
Рецензенты: кафедра радиоприемных устройств Ленинградского электротехнического института им. В. И. Ульянова (Ленина) (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. С. И. Бычков); кафедра радиотехнических устройств Рязанского радиотехнического института (зав. кафедрой д-р техн.. наук, проф. Ю. И. Судаков)
ISBN 5—06—001328—6
© Издательство «Высшая Школа», 1989
ПРЕДИСЛОВИЕ
XXVII съезд КПСС разработал стратегию ускорения социально-экономического развития страны. Главным рычагом интенсификации народного хозяйства становится' кардинальное ускорение научно-технического прогресса, широкое внедрение техники новых поколений, принципиально новых технологий, обеспечивающих наивысшую производительность и эффективность. При этом приоритетное развитие получают подлинные катализаторы ускорения научно-технического процесса — микроэлектроника, вычислительная техника, приборостроение, индустрия информатики. В документах съезда подчеркивается, что поставлена задача электронизации производства, в том числе приборов, систем, машин, оборудования и другой техники.
Радио и оптические приемные устройства различного назначения очень широко используются в народном хозяйстве и быту.
В настоящей книге с единых позиций рассматриваются теоретические основы и принципы построения радио и оптических приемных устройств, которые применяются в радиолокации, радионавигации, радиоуправлении, радиотелеметрии, радиосвязи и других областях народного хозяйства.
В современных радиосистемах радиоприемные устройства наряду с традиционныыи задачами усиления, избирательности, преобразования по частоте, детектирования выполняют также более широкие задачи по обнаружению и различению полезного сигнала среди помех, оценке параметров сигнала и сообщений, закоди-
рованных в сигнале, разрешению нескольких сигналов и др.
Все указанные задачи осуществляются как оптимальным построением высокочастотных трактов приемника, так и оптимальными методами радиоприема (демодуляции) сигналов. Поэтому в учебном пособии большое внимание уделяется вопросам помехоустойчивости радиоприемных устройств.
В книге выделено три раздела, которые соответствуют общей структуре программы курса «Радиоприемные устройства».
В первом разделе приводятся общие сведения о структурах и показателях качества радиоприемных устройств, а также описываются сигналы и помехи, воздействующие на вход приемника.
Во втором разделе рассматриваются основные узлы и блоки радиоприемного устройства: входные устройства, включающие входные цепи и усилители радиочастоты, в том числе малошумящие усилители; преобразователи частоты; интегральные приемные СВЧ-модули; основные типы усилителей промежуточной частоты; детекторы сигналов: амплитудные, частотные, фазовые; устройства автоматических регулировок усиления, частоты и фазы сигнала в приемнике.
В третьем разделе излагаются основы статистической теории радиоприема и описываются структуры приемных устройств. Рассматривается статистический структурный синтез оптимальных радиоприемных устройств в задачах обнаружения и
различении сигналов, оптимальной опенки параметров сигнала и нелинейной фильтрации сообщений. Приводятся типовые структуры и характеристики оптимальных, квазиоптимальных и неоптимальных радиоприемных устройств применительно к основным видам модулированных сигналов: импульсным, в том числе сложным, импульсным аналоговым, дискретным, непрерывным. Отдельно описываются приемные устройства оптических сигналов, их структуры и особенности техники приема.
Книга заканчивается изложением современных методов математического и цифрового моделирования радиоприемных устройств.
Учебное пособие написано авторским коллективом кафедры «Радиоприемные устройства» Московского авиационного института им. Серго Орджоникидзе на основе лекций, читаемых в последние 10 лет.
Работа между авторами распределена следующим образом: предисло-
вие, заключение. г.|. 1, 10, 15, §2.1,2.2 написаны А. П. Жуковским; гл. 3, 16—Ю. Т. Давыдовым; гл. 7 (кроме § 7.5), 8, 9, §2.3- 2.6, 5.1, 5.2-А. С. Протопоповым; гл. 4, 6, §5.4, 5.6 Ю. С. Даничем; § 5.3, 5.5, 7.5 — А. С. Протопоповым и Ю. С. Даничем; гл. 11, 17— В. В. Цветковым; гл. 12—14 — Ю. С. Захаровым.
Авторы признательны коллективам кафедр радиотехнических устройств РРТИ (зав. кафедрой проф. Ю. И. Судаков) и радиоприемных устройств ЛЭТИ (зав. кафедрой проф. С. И. Бычков) за ценные замечания и пожелания, высказанные ими при рецензировании рукописи.
Авторы с благодарностью примут все замечания и пожелания, направленные на улучшение содержания учебного пособия, которые просят направлять по адресу: Москва, ГСП-4, Неглинная ул., 29/14, издательство «Высшая школа».
Общие
характеристики радиоприемных устройств.
Сигналы и помехи
Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВАХ
§ 1.1. Радиоприемное устройство как составная часть радиосистемы
Техническую систему, в которой основные операции выполняются радиоэлектронными средствами, называют ■ радиосистемой. Составными частями радиосистемы являются радиопередающие, радиоприемные, ан-тенно-фидерные, электронно-вычислительные и другие устройства. Рассмотрим, какое место в радиосистемах занимают радиоприемные устройства. Для этого все современные радиосистемы разделим по информационному назначению на следующие классы [ 12I:
1) передачи информации;
2) извлечения информации;
3) противодействия передаче или извлечению информации.
К первому классу принадлежат радиосистемы, предназначенные для передачи информации (сообщения) к {() из одних пунктов пространства в другие. Форма информации может иметь различную физическую природу (речь, музыка, оптическое изображение, цифры температура, давле-
ние; вибрации ит. д.). Функциональная схема радиосистемы передачи информации изображена на рис. 1.1. Первичная информация к (t) с помощью электрофизического преобразователя информации (ЭФПИ) преобразуется в электрический сигнал «,, который кодируется в сигнал и.г для повышения помехоустойчивости. В передатчике (Прд) осуществляются модуляция закодированным сообщением и2 несущего колебания и излучение передающей антенной А радиосигнала ы3. Электромагнитные волны /:4 проходят через канал распространения и улавливаются приемной антенной А', преобразуясь в электрические сигналы «з на входе и «г на выходе приемника (Прм), декодируются в сигнал и[ и обратным ЭФПИ представляются в форме к' (t), необходимой для потребителя информации. Таким образом, радиоприемное устройство состоит из приемной антенны, радиоприемника, декодера и обратного ЭФПИ (оконечного устройства: динамика, кинескопа, электроннолучевой трубки и др.). В ряде случаев обратный ЭФПИ представля-
ет собой ЭВМ и является самостоятельным устройством, а в обычных радиовещательных и телевизионных системах кодер и декодер отсутствуют.
Характерным для радиосистем передачи информации любого назначения (связных, телеметрических, вещательных, телевизионных, командных) является пространственное разнесение радиопередающего и радиоприемного устройств.
При работе радиоприемного устройства в идеальных условиях выделя-лялась бы информация X' (t), пропорциональная первичной информации к (t). Однако в тракте радиосисте-
мы могут присутствовать помехи, воздействующие на передатчик, антенну, канал и непосредственно на вход приемной антенны. Это приводит к искажениям при воспроизведении информации к' (t) в приемном устройстве.
Ко второму классу относятся радиосистемы, в которых информация при излучении электромагнитных колебаний не передается, а образуется в результате облучения исследуемого объекта. Источником информации об объекте (его координатах, скорости, дальности) является отраженный от него сигнал, улавливаемый радиоприемным устройством. Типичными
представителями такого класса являются однопозиционные (Прд и Прм пространственно совмещены, рис. 1.2, а) и двухпозиционные (Прд и Прм пространственно разнесены, рис. 1.2, б) активные радиолокационные системы. К системам извлечения информации относятся также так называемые пассивные радиосистемы, когда радиопередатчик вообще отсутствует, а информация извлекается радиоприемным устройством от каких-либо естественных источников электромагнитных колебаний (рис. 1.3). Приемники сигналов радиотепловых источников, называемые радиометрами, используют в пассивной локации, астрономии, технике измерений и т. д.
На весь тракт подобных радиосистем также воздействуют помехи естественного и искусственного происхождения, что приводит к искажениям при извлечении информации в радиоприемном устройстве.
Третий класс радиосистем предназначен для создания организованных радиопомех радиосистемам передачи или извлечения информации. Радиоприемное устройство используется здесь для воспроизведения сигналов подавляемой радиосистемы с последующим умышленным искажением сигнала и переизлучением в сторону подавляемой станции.
Во всех рассмотренных классах радиосистем радиоприемное устройство является одной из основных составных частей каждой конкретной системы, а в пассивных системах — единственным радиотехническим устройством.
Радиоприемным устройством называют систему узлов и блоков, с помощью которых производятся следующие операции:
преобразование электромагнитного поля сигнала (помех) в электрический сигнал и обеспечение пространственной и поляризационной избирательности полезного радиосигнала с помощью приемной антенны:
выделение полезных радиосигналов из совокупности других (мешаю-
Рис. 1.3
щих) сигналов и помех, действующи на выходе приемной антенны и не coi падающих по частоте с полезным си: налом. Эта операция называете фильтрацией по частоте и осущ ствляется частотно-избирательным устройствами;
усиление принимаемых сигналов целью обеспечения качественной р, боты демодулятора, декодера, схе защиты приемника от помех и обра ного ЭФПИ (решающего или испо, нительного устройства);
демодуляция принятого сигнала целью выделения информации (мод лирующей функции), содержащее в полезном радиосигнале;
обработка принимаемых сигнале с целью ослабления мешающего во действия помех искусственного и е тественного происхождения. Подо ная операция предусматривает введ ние в приемник средств помехоз щиты и эффективную обработку си налов и помех, при которой достиг ется наилучшее обнаружение сигн лов или оценка принятой информ ции (сообщения) по какому-либо кр терию оптимальности приемника в с ответствии с целевым содержанж решаемой практической задачи.
Во всех рассмотренных радиоси темах информация, необходимая получателю, отображается в пар метрах радиосигнала на входе р диоприемного устройства. Поэто! все основные операции, связанные пространственной и частотной изб рательностью полезного радиосигн ла, его усилением, демодуляцией обработкой, могут решаться на с нове единой теории анализа и синл за приемных трактов и одинаков! принципов их схемотехнической ре лизации.