1.2 Помехи приему сигналов ам

1.2.1 Мультипликативные помехи

В общем виде высокочастотные колебания, действующие на входе радиоприемного устройства и представляющие собой смесь сигнала и помех , при достаточно общих приближениях можно представить в виде:

где – коэффициент, характеризующий мультипликативную помеху, – передаваемый сигнал, – аддитивная помеха.

Мультипликативная помеха, т.е. помеха, непосредственно воздействующая на структуру самого сигнала, возникает в радиосистемах в тех случаях, когда характеристики канала передачи вследствие каких-то случайных причин изменяются во времени.

1.2.2 Флуктуационные помехи

Аддитивные помехи по электрической и статистической структуре делятся на сосредоточенные по спектру, импульсные и флуктуационные.

Классификация помех по источнику возникновения и диапазоны частот, где они действуют, приведены на рисунке 3. Таким образом, для разрабатываемых в курсовом проекте основными видами помех будут: атмосферные, индустриальные и помехи от посторонних радиостанций.

Рисунок 3 – Классификация помех

1.2.3 Сосредоточенные по спектру помехи

Сосредоточенные помехи представляют собой совокупность независимых гармонических колебаний с различными амплитудами, частотами и фазами:

где , – амплитуда (случайная величина), – фаза (случайная величина).

Считаем, что амплитуды взаимно независимы, а фазы равномерно распределены в интервале 0-2π и также взаимно независимы друг от друга.

Статистические свойства сосредоточенных помех описываются их распределением по частоте и по уровню. Во многих случая можно считать распределение по частоте равномерным, а распределение уровня (квадрата амплитуды) отдельных помех во времени – логарифмически нормальными.

Атмосферные помехи являются типичным видом квазиимпульсных помех. Они представляют собой временную реализацию последовательности импульсов, случайно распределенных по амплитуде и по времени. Атмосферные помехи можно представить в виде двух составляющих: флуктуационной с гауссовским законом распределения и более мощной импульсной негауссовской. Многие виды индустриальных помех относятся к импульсным помехам.

1.2.4 Импульсные помехи

Импульсная помеха – это регулярная, а чаще хаотическая последовательность кратковременных импульсов, длительность которых меньше, а интервал следования больше длительности периодических процессов в тракте приемника.

Типичной формой импульсных помех является апериодическая помеха, изменяющаяся по экспоненциальному закону:

Модуль спектрально плотности

Фаза спектральной плотности

Закон распределения амплитуды такой помехи определяется логарифмически-нормальным законом.

Распределение фаз равновероятно на интервале от 0 до 2π.

1.3 Принципы построения устройства ПиОс с ам

В общем виде структурная схема радиоприемного устройства может быть представлена в виде пяти функциональных блоков (рисунок 4).

При малом уровне помех практически потенциальную помехоустойчивость обеспечивает информационный тракт, построенный по схеме на рисунке 5. Графики, характеризующие помехоустойчивость приемника АМ-сигналов в зависимости от индекса модуляции, представлены на рисунке 6.

Рисунок 4 – Структурная схема радиоприемного устройства

УТ – усилительно-преобразовательный тракт (в нем проводится предварительная обработка сигнала: фильтрация, преобразование частоты, усиление);

ИТ – информационный тракт (в нем проводится основная обработка сигнала: оптимальный или квазиоптимальный фильтр, демодулятор сигнала, цепи последетекторной обработки; в состав информационного тракта могут также входить вспомогательные устройства – системы АРУ, АПЧ);

БФГЧ – блок формирования гетеродинных частот;

УУО – устройство управления и отображения (позволяет оператору вручную управлять приемным устройством или в автоматическом режиме реализует заданный алгоритм работы, а также производит отображение состояния и качества работы устройства на соответствующих индикаторах);

ВИП – вторичный источник питания (преобразование энергии первичного источника, например, сети 220 В или бортовой сети, в форму, удобную для использования непосредственно в приемном устройстве).

Рисунок 5 – Структурная схема информационного тракта при полностью известном сигнале при большом отношении сигнал/шум

Рисунок 6 – График характеризующий помехоустойчивость при АМ

При построении приемника АМ-сигналов по схеме на рисунке 4 ширина полосы пропускания полосового фильтра и фильтра нижней частоты выбирается равной соответственно ширине спектра модулированного сигнала и верхней частоте сообщений.

В большинстве случаев радиоприемные устройства АМ сигналов выполняются по супергетеродинной схеме. Основная особенность такой схемы состоит в том, что в радиотракте помимо усиления сигнала происходит и преобразование частоты принятого радиоколебания. Преимуществами супергетеродинного приемника по сравнению с приемником прямого усиления являются:

1. Обеспечение значительно лучшей фильтрации сигнала от помех (результирующая АЧХ радиотракта приемника определяется в основном АЧХ селективных цепей тракта промежуточной частоты; поскольку этот тракт не перестраивается, то в нем можно использовать сложные резонансные цепи с АХЧ, близкой к идеальной).

2. Практическая неизменность основных показателей радиотракта при перестройке, так как они в основном определяются показателями тракта промежуточной частоты, настроенного на постоянную частоту ().

3. Возможность обеспечения более высокого усиления, так как на более низкой частоте, что характерно для промежуточной частоты, паразитная связь между выходом и входом усилителя проявляется слабо.

Недостатки: наличие побочных каналов приема и паразитного излучения с частотой гетеродина на входе приемника.

Если частоту гетеродина в супергетеродинном приемнике выбрать равной частоте принимаемого сигнала, то промежуточная частота будет равна нулю. При этом в приемнике обеспечивается прямое преобразование частоты радиосигнала в низкую звуковую без предварительного переноса её на промежуточную частоту. Подобные приемники получили название приемники прямого преобразования (синхродины, гомодины). В таких приемниках подавление помех и основное усиление сигнала осуществляется в основном на низкой частоте, что реализуется значительно проще и дешевле. Побочные каналы в приемнике прямого преобразования остаются лишь на частотах , и т.д., т.е. лишь на частотах гармоник гетеродина. Эти каналы легко подавляются простейшей одноконтурной цепью.

Однако при приеме АМ-сигнала в приемнике прямого преобразования после преобразователя частоты появляются звуковые сигналы от двух боковых полос, которые могут различаться по частоте, что приводит к искажению принимаемого сигнала, такие приемники в большей степени подвержены действию различных помех и наводок.

Возможны следующие варианты реализации структурной схемы радиоприёмного устройства:

а) приёмники прямого усиления (без регенерации, с регенерацией, со сверхрегенерацией);

б) супергетеродинные приёмники;

в) инфрадины;

г) синхродины.

Приёмники прямого усиления относительно просты в реализации, но имеют низкую избирательность и чувствительность. Низкая избирательность объясняется невозможностью применения высокоэффективных фильтров (перестраиваемых пьезокерамических фильтров нет). Усиление на принимаемой радиочастоте даёт низкую чувствительность. Увеличение чувствительности дают схемы с регенерацией и сверхрегенерацией (при той же избирательности), но при этом наблюдается большое искажение сигнала, нестабильность работы и опасность проникновения усиленных колебаний в антенну.

В супергетеродинных приёмниках появляется дополнительная функция преобразования частоты, и это позволяет улучшить основные характеристики приёмника. Переход к промежуточной частоте позволяет производить на ней более эффективное усиление и применять высокоэффективные фильтры (так как эта частота всегда постоянна). Недостатки заключаются в наличии дополнительных и интермодуляционных каналов приёма.

Следующие достоинства этой схемы позволяют остановить выбор структурной схемы именно на ней:

1. Высокая избирательность.

2. Возможность получения высокого коэффициента усиления до детектора благодаря низкой промежуточной частоте.

3. Более высокая стабильность этих параметров при перестройке приёмника на другую частоту.

В инфрадинах преселектор заменяется на неперестраиваемый фильтр нижних частот. Побочные каналы приёма находятся за частотами работы, так как  . Недостатком является повышенное требование к линейности преселектора (помехи, попавшие в ФНЧ, могут перегрузить его).

В синхродинах используется прямое преобразование частоты сигнала, т. е. преобразование в нулевые частоты. Особенность этого приёмника заключается в использовании синхронного детектора, который и является его минусом, так как принимаемый сигнал и сигнал гетеродина должны совпадать не только по частоте, но и по фазе.

На риcунках 7 и 8 показаны структурные схемы различных реализаций радиоприёмных устройств АМ-сигналов. Существуют различные реализации демодуляторов для сигналов с амплитудной модуляцией.

Рисунок 7 – Структурная схема радиоприемника прямого усиления (а) и синхродина (б)

Детекторы АМ-сигналов можно реализовать на полупроводниковых диодах или транзисторах. Диодные детекторы обладают малыми нелинейными искажениями. В линейном режиме, который обеспечивается при сигнале, большем 0,5–1,0 В, их коэффициент гармоник 1− 2 %. Однако и коэффициент передачи детектора  1 , причём он особенно мал в транзисторных приёмниках, где низкое входное сопротивление УНЧ обуславливает малое сопротивление нагрузки детектора или деление её на две части.

Транзисторные детекторы имеют значительно большие нелинейные искажения ( от 3 до 10 %) , но имеют коэффициент передачи от 3 до 10 и обладают малыми входным и выходным сопротивлениями, что удобно для согласования их с УНЧ.

Нелинейные искажения растут при слабых и сильных сигналах, напряжение которых поддерживают в пределах от 0,05 до 0,5 В. Поэтому в бортовых приёмниках, где уменьшение массы, габаритных размеров и потребляемой мощности весьма важно, можно применять транзисторные детекторы. Если же важны малые нелинейные искажения, то рационально использовать диодные детекторы. В таких приёмниках для уменьшения нелинейных искажений и увеличения коэффициента передачи детектора можно между детектором и УНЧ включить эмиттерный повторитель.

Рисунок 8 – Структурная схема супергетеродинного приемника

Тип диода или транзистора следует выбирать таким образом, чтобы детектируемые сигналы находились в рабочем диапазоне частот диодов или транзисторов. В детекторах и УПЧ разумно применять однотипные транзисторы.

Схемы диодных детекторов АМ-сигналов приведены на рисунке 9.

Нелинейные искажения сигналов возникают в приемнике АМ-сигналов из-за неточной настройки приемника, а также из-за нелинейности вольтамперных характеристик активных приборов. В трактах усиления сигнала возможны следующие виды искажений: линейные (амплитудно-частотные, фазо-частотные) и искажения, связанные с нелинейностью усилительных приборов (нелинейные искажения, вторичная модуляция, блокирование, перекрестная модуляция, взаимная модуляция).

Для реальных криволинейных характеристик электронных приборов в первом приближении с учетом только второй гармоники при гармонической амплитудной модуляции коэффициент нелинейных искажений

где и – крутизна характеристик усилительного прибора и ее вторая производная; – коэффициент амплитудной модуляции, – амплитуда несущей на входе.

Рисунок 9 – Схема диодных детекторов АМ сигналов: а – последовательный диодный детектор; б – последовательный диодный детектор с разделенной нагрузкой; б – параллельный диодный детектор

При сравнительно малых отношениях сигнал/помеха используют синхронный детектор. Опорное напряжение формируется с применением системы ФАПЧ, которая здесь используется как следящий фильтр. Так как оценка фазы, выработанная в системе ФАПЧ, никогда не совпадает с фазой входного сигнала (t), то и опорный сигнал на перемножителе от подстраиваемого генератора не является точной копией полезного сигнала. Поэтому такой приемник называется квазикогерентным.