Уч пособие ЭМС_2. Е. М. Виноградов

• Название: Е. М. Виноградов
• Анкор: Уч пособие ЭМС_2.doc
• Дата: 03.02.2017
• Размер: 3.78 Mb.
• Имя файла: Уч пособие ЭМС_2.doc
• Тип: Анализ; #2074
• страница: 12 из 35

8. Описание радиоприемных устройств в задачах ЭМС

1. Общие характеристики радиоприемных устройств,
   определяющие их совместимость с окружением

ЭМС совокупности РЭС, содержащей радиопередатчики (РПД) и радиоприемные устройства определяется не только электромагнитной обстановкой (ЭМО) в точках размещения антенных устройств РПУ, но и восприимчивостью РПУ к помехам.

Восприимчивость РПУ – это свойство устройства реагировать на помехи, воздействующие через антенну и помимо нее (в том числе через экран) по цепям питания и коммутации. Кроме того, приемники сами могут создавать помехи по цепям питания, коммутации и заземления, а наиболее употребительный вид приемника – супергетеродинный приемник – может создавать помехи посредством излучения сигналов гетеродинов через антенну или по другим каналам.

Можно выделить четыре группы характеристик, определяющих ЭМС РПУ с его окружением. К ним относятся [69]:

1. Характеристики частотной избирательности, определяемые односигнальными методами:

 избирательность по основному каналу приема (ОКП);

 избирательность по побочным каналам приема (ПКП).

2. Характеристики частотной избирательности, определяемые многосигнальными методами:

 избирательность по блокированию, интермодуляции, перекрестным искажениям;

 избирательность по побочным каналам приема.

3. Характеристики восприимчивости к помехам:

 к излучаемым помехам;

 к помехам по цепям питания, управления, коммутации и заземления.

4. Характеристики создаваемых индустриальных помех:

 помех излучения;

 помех по цепям питания, управления, коммутации и заземления.

Математическое описание перечисленных характеристик РПУ образует математическую модель радиоприемника, которая может использоваться при решении разнообразных задач. В задачах ЭМС эти характеристики должны быть представлены в широкой полосе частот. Для анализа влияния помех, попадающих на вход РПУ через антенну, интерес представляют характеристики двух первых групп. Характеристики избирательности по блокированию, интермодуляции и перекрестным искажениям будут рассмотрены в разделе, связанном с анализом нелинейных эффектов в приемопередающей аппаратуре (гл. 9). Заметим, что хотя указанные группы характеристик во многом определяют совместимость РПУ с окружением, их недостаточно для оценки совместимости, поскольку нужна информация еще о ряде параметров приемника.

На рис. 8.1 представлена упрощенная структурная схема супергетеродинного приемника с однократным преобразованием частоты, где обозначены: УВЧ – усилитель высокой частоты; Гет. – гетеродин; УПЧ – усилитель промежуточной частоты; Дет. – детектор; УНЧ – усилитель низкой частоты; ТПИУ – тракт предварительной избирательности и усиления; ТОИУ – тракт основной избирательности и усиления.

П
реселектор или тракт предварительной избирательности и усиления (ТПИУ) предназначен для предварительного выделения полезного сигнала из множества сигналов, присутствующих на входе приемника, его усиления и переноса на промежуточную частоту f_пр. Преселектор обеспечивает необходимую чувствительность приемника и подавляет помехи, которые поступают по другим каналам приема, присущим супергетеродинным приемникам. Полоса пропускания тракта ТПИУ значительно шире полосы пропускания последующих трактов приемника. Поэтому мощные помехи могут вызывать в этом тракте нелинейные эффекты.

Тракт основной избирательности и усиления (ТОИУ или тракт промежуточной частоты (ПЧ)) выполняет функцию окончательного выделения полезного сигнала, подавляя помехи, находящиеся за пределами полосы пропускания тракта, и усиливает сигнал до уровня, необходимого для нормальной работы детектора приемника.

Детектор приемника выделяет информационный сигнал.

Усилитель низкой частоты или видеоусилитель усиливают информационный сигнал до уровня, необходимого для нормальной работы выходного устройства, на которое поступает сигнал и в качестве которого могут выступать динамик, телевизионная трубка, буквопечатающий аппарат или другие технические устройства.

В приемнике может использоваться многократное преобразование частоты.

С
пособность приемника выделять полезный сигнал из совокупности составляющих напряженности электромагнитного поля, в котором находится антенна, называется избирательностью. В общем случае приемник с антенной может обладать различными видами избирательности: пространственной (которую выполняет антенна), временной, амплитудной, фазовой, частотной (эти виды избирательности осуществляет сам приемник). Частотная избирательность, в отличие от других видов избирательности, которые относятся к специальным приемникам, характерна для любого приемника. Характеристику частотной избирательности измеряют, используя один сигнал на входе приемника с уровнем, не вызывающем нелинейных эффектов в тракте приема. Перестраивая частоту входного сигнала, на каждой частоте измерения фиксируют значение уровня сигнала на входе приемника при постоянном значении сигнала на выходе приемника.

Общий вид характеристики избирательности приемника, снятой односигнальным методом, представлен на рис.8.2, где обозначены: P_R – уровень сигнала на входе приемника; B_R – полоса пропускания по основному каналу приема; f_0R – частота настройки приемника; f_г – частота гетеродина; f_пч – промежуточная частота; f_зк – частота зеркального канала.

На характеристике можно выделить основной канал приема, центральная частота которого соответствует частоте настройки приемника, f_0R. Основным каналом приема (ОКП) называют полосу частот, находящуюся в полосе пропускания приемника, предназначенную для приема сигнала.

Кроме основного канала приема в приемнике имеются неосновные каналы приема, которые делят на соседние и побочные. Если для радиослужбы определена сетка частот и ширина канала в этой сетке, то соседними называют каналы, которые непосредственно примыкают к верхней и нижней границе канала, на частоту которого настроен приемник. При отсутствии сетки частот за ширину канала принимают ширину необходимой полосы частот полезного сигнала приемника. В зависимости от расстояния до основного канала приема различают первый, второй, третий и т. д. соседние каналы приема. Появление соседних каналов приема связано с отклонением амплитудно-частотной характеристики тракта основной избирательности и усиления (тракта ПЧ) от идеальной прямоугольной формы. Поскольку полоса пропускания преселектора значительно превышает полосу тракта ПЧ, то ослабление помех по соседним каналам приема во входной цепи РПУ относительно невелико, особенно, если каналы расположены недалеко от ОКП. Мощные помехи, поступающие по этим каналам, являются основной причиной нелинейных эффектов в РПУ, в связи с чем эти эффекты часто называют эффектами по соседнему каналу.

Характеристика частотной избирательности, приведенная на рис. 8.2, показывает, что в супергетеродинном приемнике присутствуют отклики на сигналы, частоты которых находятся далеко от ОКП и не попадают в соседние каналы приема.

Полосы частот, находящиеся за пределами основного канала приема, в которых сигнал проходит на выход приемника, называют побочными каналами приема (ПКП). Излучения радиопередатчиков, особенно основные излучения, обладающие наибольшей мощностью, могут по ПКП создавать помехи приему полезных сигналов. Для оценки влияния помех по основному и побочным каналам приема нужно знать параметры этих каналов и иметь информацию о характеристиках частотной избирательности каналов.

2. Основной канал приема радиоприемника и его описание

К параметрам ОКП, которые используются при анализе ЭМС, относятся частота основного канала приема и чувствительность РПУ. Кроме того, для оценки степени подавления помехи в радиоприемном устройстве требуется информация о характеристике частотной избирательности РПУ по ОКП.

Центральной частотой основного канала приема является частота настройки РПУ.

Способность приемника обеспечить качественный прием слабых сигналов в отсутствие внешних помех называют чувствительностью приемника. В зависимости от принятого правила количественного определения чувствительности различают несколько видов чувствительности. Наиболее часто используются понятия реальной и пороговой чувствительности. В свою очередь, реальная чувствительность подразделяется на реальную чувствительность, ограниченную шумами, и реальную чувствительность, ограниченную усилением.

Реальная чувствительность радиоприемника, ограниченная шумами, определяется минимальным уровнем радиосигнала на входе приемника, при котором на выходе приемника обеспечивается заданное отношение сигнал/шум и заданный (номинальный) уровень полезного сигнала. В технических характеристиках приемника обычно указывают (если не оговорено особо) чувствительность, ограниченную шумами. Если усиления приемника не достаточно для получения номинального значения уровня сигнала на его выходе, то используется понятие чувствительности, ограниченной усилением.

Реальная чувствительность радиоприемника, ограниченная усилением, определяется минимальным уровнем радиосигнала на входе приемника, который необходим для получения заданного (номинального) уровня сигнала на его выходе.

В ряде случаев используют пороговую чувствительность приемника.

Пороговая чувствительность радиоприемника определяется минимальным уровнем радиосигнала на входе приемника, при котором отношение сигнал/шум на выходе приемника равно единице.

Хотя в определении реальной чувствительности приемника, ограниченной шумами, фигурирует отношение сигнал/шум (S/N) на его выходе, однако, на практике это отношение используется только для приемников амплитудно-модулированных (АМ) сигналов. У профессиональных связных приемников АМ сигналов эта чувствительность соответствует отношениюS/N = 10дБ. Для связных приемников с частотной модуляцией (ЧМ) чувствительность определяют минимальным уровнем сигнала, который обеспечивает на выходе определенное значение отношения мощностей (сигнал + шум + искажения)/(шум + искажения), именуемое SINAD: SINAD = (S + N + D)/(N + D),

где S, N, D – соответственно, мощности полезного сигнала, шума и искажений на выходе приемника.

Обычно SINAD задают в децибелах. Чувствительность профессиональных связных ЧМ приемников определяют при SINAD = 12 дБ.

Для цифровых радиоприемников чувствительность определяют минимальным уровнем сигнала на входе приемника, при котором на выходе приемника обеспечивается заданное значение BER – частота ошибок при приеме одного бита информации.

Однако каждому значению SINAD или BER в общем случае можно поставить в соответствие определенное отношение сигнал/шум (S/N) на выходе приемника. Если это отношение известно, то оценку чувствительности приемника можно получить, используя выражение

P_R(f_0R) = –174 + 10 lg (B_R) + NF + (S/N)_вых , (8.1)

где P_R(f_0R) – чувствительность приемника на частоте его настройки, f_0R, дБм;B_R – полоса пропускания приемника, Гц;NF – коэффициент шума приемника, дБ; (S/N) – отношение сигнал/шум на выходе приемника, дБ.

Выражение (8.1) показывает, что чувствительность РПУ зависит от полосы пропускания приемника. Если в приемнике имеются переключаемые фильтры с разными полосами пропускания, чувствительность приемника должна быть задана для каждого фильтра. Вместо чувствительности часто, особенно для РПУ, работающих на частотах выше 30 МГц, указывают коэффициент шума приемника. Коэффициент шума характеризует изменение отношения сигнал/шум на выходе приемника, (S/N)_вых, относительно отношения сигнал/шум на его входе, (S/N)_вх. В спецификациях на приемник коэффициент шума указывают в децибелах, т. е.

NF = 10 lg [(S/N)_вх/(S/N)_вых] = (S/N)_вх[дБ] – (S/N)_вых[дБ].

В этом случае выражение (8.1) позволяет оценить значение чувствительности для каждого фильтра приемника.

Анализ ЭМС проводится на энергетическом уровне. Это значит, что в процессе анализа работают, как правило, со значениями мощности, а не напряжений и токов. В то же время чувствительность приемника часто указывают в микровольтах [мкВ]. Для перехода к чувствительности в единицах мощности можно использовать выражение

P= –90 + U– 10 lg (R), (8.2)

где P – мощность, дБм; U – напряжение, дБмкВ; R – сопротивление, Ом.

Если U – чувствительность приемника, R – входное сопротивление приемника, то (8.2) позволяет пересчитать чувствительность в децибелы относительно милливатта. Учитывая, что большинство приемников, особенно в диапазонах ОВЧ и выше, имеют входное сопротивление 50 Ом, для этого случая (8.2) можно переписать в виде P = –107 + U, где, по-прежнему, Pв децибелах относительно милливатта, U  в децибелах относительно микровольта.

Полоса пропускания приемника определяется как полоса частот, на границах которой на входе детектора коэффициент усиления приемника уменьшается в установленное число раз. Обычно ее определяют на уровне 3 или 6 дБ. Хотя полоса пропускания дает некоторое представление об избирательности приемника, однако этого недостаточно, чтобы использовать этот параметр для анализа прохождения помехи через приемный тракт. Более информативным является коэффициент прямоугольности частотной характеристики или характеристики избирательности. Коэффициентом прямоугольности по уровню  называют отношение полосы пропускания на уровне  дБ к полосе на уровне 3 (или 6) дБ: Π_ = B_/B₃, где Π_ – коэффициент прямоугольности на уровне  дБ;B_ – ширина полосы пропускания на уровне  дБ;B₃ – ширина полосы пропускания на уровне 3 дБ.

В технических спецификациях на РПУ часто приводят значения коэффициента прямоугольности для трактов высокой и промежуточной частот. Последний можно считать коэффициентом прямоугольности линейного (до детектора) тракта РПУ в целом. Для высокочастотного тракта чаще всего B_ определяют на уровне  = 30 дБ, для тракта ПЧ обычно  = 60 дБ.

Коэффициент прямоугольности тракта позволяет построить модель характеристики частотной избирательности этого тракта в виде

(8.3)

Здесь D(f) – характеристика избирательности тракта, описывающая ослабление в тракте [дБ], соответствующее расстройке f. Характеристика может быть использована для описания избирательности, как тракта ПЧ, так и преселектора приемника, если известны значения коэффициентов прямоугольности соответствующих трактов.

Выражение (8.3) соответствует случаю, когда полоса пропускания тракта определена на уровне 3 дБ. Из (8.3) следует, в частности, что при f D(f). На практике обеспечить ослабление выше 100…120 дБ невозможно. Поэтому, если, исходя из (8.3), значение D(f) получается больше 100 дБ, то обычно его принимают равным 100 дБ.

В тех случаях, когда коэффициент прямоугольности преселектора неизвестен, но известна его полоса пропускания на уровне 3 дБ и степень подавления помехи по зеркальному каналу K_зк, дБ, в качестве математической модели избирательности преселектора D_прс(Δf) может быть использовано выражение

(8.4)

N = (K_зк – 3)/lg (4f_пч/), (8.5)

где N – скорость изменения характеристики избирательности, дБ/дек.

Значение N, полученное из (8.5), округляют до ближайшего кратного 20. При отсутствии входных данных значение N чаще всего принимают равным 20 дБ/дек.

Другой подход к построению модели характеристики избирательности тракта ОКП основан на кусочно-логарифмической аппроксимации результатов измерений, когда значения ослабления в тракте известны на нескольких уровнях. В этом случае на участках аппроксимации, лежащих между уровнями, можно положить:

D(Δf) = D(Δf_i) + D_ilg (Δf/Δf_i) для |Δf| > B_R/2, (8.6)

Δf_i ≤ Δf ≤ Δf_i+1 ,

где i – номер участка, на котором рассматривается характеристика D(Δf); Δf_i, Δf_i+1 – расстройки, соответствующие границам рассматриваемого участка; D_i – скорость изменения характеристики избирательности на i-м участке, дБ/дек; D(Δf_i) – значение избирательности в начальной точке i-го участка, дБ.

Для расстроек |Δf| ≤ B_R/2 полагают D(Δf) = 0 дБ. Если же согласно (8.6), для некоторого Δf получится D(Δf) ≥ 100 дБ, то, как и выше, это значение принимают равным 100 дБ.

На рис. 8.4 изображена характеристика избирательности, соответствующая выражению (8.6). По оси абсцисс используется логарифмическая шкала, что позволяет представить характеристику, состоящей из отрезков прямых.

В
ыражения (8.3) и (8.6) могут быть использованы для моделирования характеристик избирательности как тракта ПЧ, так и тракта ВЧ приемника.

В тех случаях, когда информация о характеристике избирательности приемника отсутствует, но известна маска спектра полезного сигнала, эта маска может быть использована в качестве модели амплитудно-частотной характеристики (маски) основного канала приема приемника. Графически амплитудно-частотная характеристика представляет собой перевернутую характеристику избирательности. Если обозначить H(f) амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) тракта, то ее связь с характеристикой избирательности этого тракта можно записать в виде H(f) = – D(f) [дБ].

Представленные модели характеристик избирательности, используются в задачах анализа ЭМС РЭС на этапе оценки коэффициента частотной коррекции помех по ОКП. Однако это не означает, что не могут быть использованы другие аналитические описания амплитудно-частотных характеристик или характеристик частотной избирательности трактов РПУ. Основное требование к описаниям подобного рода – адекватное отображение представляемой характеристики и удобство использования при аналитических расчетах.

3. Побочные каналы приема и их описание

Побочные каналы приема (ПКП) образуются в смесителях приемника. ПКП можно разделить на:

 комбинационные побочные каналы приема;

 субгармонические побочные каналы приема;

 ПКП на промежуточных частотах.

Сигнал, частота которого отличается от частоты гармоники гетеродина на промежуточную частоту, попадая на смеситель приемника, образует эту промежуточную частоту с гармоникой гетеродина. После усиления в тракте ПЧ приемника этот сигнал создает отклик на выходе приемника. Около каждой гармоники гетеродина существуют два зеркальных друг относительно друга канала, отстоящие от этой гармоники на промежуточную частоту (см. рис. 8.2), по которым сигналы могут пройти с входа приемника на его выход. Один из таких каналов, обычно отстоящий на промежуточную частоту от первой гармоники гетеродина, используется для приема полезного сигнала и называется основным каналом приема, который рассмотрен выше. Второй канал, отстоящий на промежуточную частоту от первой гармоники гетеродина, является побочным и называется зеркальным ПКП. Побочные каналы приема, являющиеся результатом взаимодействия частот входных сигналов с гармониками гетеродина, специальных названий не имеют и именуются просто как комбинационные побочные каналы приема. Комбинационные ПКП описанного вида являются линейными каналами приема. Линейные ПКП наиболее восприимчивы к помехам, а наиболее опасным среди них является зеркальный ПКП. Однако рассмотренный вид побочных каналов приема не охватывает все множество комбинационных каналов приемника. Входные сигналы на частотах, которые после преобразования не попадают в полосу пропускания тракта ПЧ, могут на нелинейностях смесителя образовать гармоники, которые, взаимодействуя с гармониками гетеродина, создадут частоты, лежащие в полосе тракта ПЧ. Частоты каналов этого вида также относят к комбинационным ПКП, однако нелинейное преобразование входного сигнала не позволяет рассматривать их как линейные.

Побочные каналы приема на субгармониках частот основного и зеркального каналов, по сути, являются разновидностью нелинейных комбинационных ПКП. Если входные сигналы на частотах, которые являются субгармониками частот основного или зеркального каналов приема имеют достаточный уровень, чтобы образовать на нелинейности смесителя гармоники, частоты которых совпадают с частотой основного или зеркального канала приема, то они будут преобразованы в полосу пропускания приемника и появятся на выходе приемника. Эти каналы выделены, поскольку при прочих равных условиях представляют наибольшую опасность с точки зрения возможных помех после линейных ПКП. Менее опасными являются комбинационные ПКП, которые образуются в результате взаимодействия гармоник входного сигнала и гармоник гетеродина с номером  2.

Побочные каналы приема на промежуточных частотах приемника обусловлены недостаточной избирательностью преселектора. Хотя преселектор должен подавлять помехи по побочным каналам приема, однако, как отмечалось раннее, обеспечить подавление помех фильтрами приемника выше 100 дБ очень трудно. Да и значение 100 дБ также достигается не просто. Несмотря на то, что промежуточные частоты обычно значительно отличаются от принимаемой частоты, достаточно мощные помехи могут достигать тракта ПЧ приемника. В тракте ПЧ они усиливаются наравне с сигналами, поступающими с выхода смесителя.

Побочный канал приема имеет место, если выполняется условие

|qf_пк + pf_г| = f_пч , (8.7)

где f_пк, f_г, f_пч – частоты побочного канала, гетеродина и промежуточная частота, соответственно; q, p – целые числа как положительные, так и отрицательные (при этом p может быть и нулем).

Из (8.7) можно найти частоты побочных каналов приема

. (8.8)

Выражение (8.8) дает бесконечное число побочных каналов приема при разных сочетаниях p и q. При решении задач ЭМС и выборе значений p и q нужно принимать во внимание, как формируется ПЧ и степень опасности ПКП. В этом смысле в число ПКП, подлежащих анализу, должны входить, в первую очередь, линейные ПКП для ограниченного числа гармоник гетеродина, т. е. ПКП, которые соответствуют значению q = 1.

В общем случае частота мешающего сигнала или его гармоники не обязательно должна совпадать с частотой ПКП. Чтобы помеху рассматривать как потенциально опасную по ПКП достаточно, чтобы она попала в полосу тракта ПЧ, т. е. должно выполняться соотношение

f_пч  B_пч/2 ≤ |qf_i+ pf_г| ≤ f_пч + B_пч/2,

где f_i – частота мешающего сигнала; B_пч – ширина полосы пропускания тракта ПЧ.

Свойство приемника реагировать на помеху по ПКП обычно называют восприимчивостью приемника по побочному каналу приема, хотя используются также термины «избирательность по ПКП» или «подавление помех по ПКП». Термин «восприимчивость» используется вместо термина «чувствительность», чтобы подчеркнуть, что речь идет о помехе, которая поступает в приемник не по ОКП.

Численно восприимчивость РПУ по ПКП определяют уровнем мешающего сигнала по ПКП на входе приемника, который на выходе РПУ создает такой же отклик, как и полезный сигнал на частоте настройки приемника, когда уровень полезного сигнала на входе РПУ равен чувствительности приемника. В спецификациях РПУ этот параметр обычно выражают в децибелах относительно чувствительности приемника. Представленный в такой форме этот параметр показывает, на сколько децибел сигнал по ПКП должен быть больше сигнала по ОКП, чтобы на выходе РПУ уровни обоих сигналов были равны. Или, наоборот, на сколько децибел на выходе приемника сигнал, прошедший по ПКП, будет меньше сигнала по ОКП, если их уровни на входе приемника равны. В спецификациях РПУ указывают минимальное значение восприимчивости (ситуация наихудшего случая). Чаще всего восприимчивость по зеркальному каналу приводят отдельно. Например, в спецификации можно встретить такую фразу: подавление зеркального канала – не менее 60 дБ, других побочных каналов – не менее 70 дБ. Иногда восприимчивость в спецификациях определена одной цифрой для всех ПКП.

Эмпирическая математическая модель, позволяющая получить оценку восприимчивости приемника по ПКП в децибелах относительно милливатта, имеет вид [16]

P_R(f) = P_R(f_0R) + I lg (f/f_0R) + J, (8.9)

где P_R(f) – восприимчивость приемника по ПКП на частоте f, дБм; P_R(f_0R) – чувствительность приемника на частоте f_0R, дБм; I – скорость изменения восприимчивости приемника, дБ/дек; J – постоянное ослабление по ПКП, дБ.

Это выражение аналогично выражению (7.9), которое используется для оценки средних значений побочных излучений передатчиков. Значения коэффициентов I и J, входящих в (8.9), находят путем статистической обработки результатов измерений восприимчивости приемников по ПКП на множестве приемников. Модель (8.9) позволяет получить среднее значение восприимчивости по ПКП. Поскольку на множестве приемников восприимчивость является случайной величиной, то ее характеризуют не только средним значением, но и среднеквадратическим отклонением _R. Значения коэффициентов I и J, полученные по результатам измерений для приемников диапазонов ВЧ, ОВЧ и УВЧ, а также значения _R, представлены в табл. 8.1 [16]. Отметим, что значения I и J, приведенные в табл. 8.1 для f > f_0R, справедливы для линейных каналов приема (q = 1). Если частота помехи выше частоты настройки приемника и q = 2, значение J следует увеличить на 15 дБ, а для
q = 3 на 20 дБ.

Модель (8.9) может быть использована при отсутствии данных о восприимчивости приемника по ПКП. Однако, если информация о восприимчивости приемника имеется, пусть даже в описанной выше форме наихудшего случая, то можно не прибегать к модели (8.9) и использовать имеющиеся данные.

Таблица 8.1

Параметры модели (8.9)

Рабочая частота приемника, f0R	Коэффициенты и СКО модели (8.9)
	f < f0R			f > f0R
	I, дБ/дек	J, дБ	σR, дБ	I, дБ/дек	J, дБ	σR, дБ
f0R ≤30 МГц	–20	80	10	25	85	15
30 МГц < f0R ≤ 300 МГц	–20	80	10	35	85	15
f0R > 300 МГц	–20	80	10	40	60	15
В целом по всем средствам	–20	80	10	35	75	20

Из (8.9) можно получить значение восприимчивости в форме, в которой восприимчивость приводится в спецификациях на приемник. Обозначим восприимчивость, выраженную в децибелах относительно чувствительности приемника, L_пк(f). Тогда

L_пк(f) = P_R(f) – P_R(f_0R) = I lg (f/f_0R) + J. (8.10)

Что касается избирательности по побочным каналам приема, то для ее описания используют математические модели избирательности, которые были рассмотрены для основного канала приема.

4. Оценка коэффициента частотной коррекции

При анализе ЭМС РЭС помеху, поступающую в приемник по основному или побочному каналам приема, обычно заменяют эквивалентной помехой, лежащей в полосе пропускания ОКП приемника на частоте его настройки и создающей на выходе приемника такой же отклик, как и реальная помеха. Это позволяет оценить качество работы РПУ при помехах по основному или побочным каналам приема, используя связь отношения сигнал/помеха на рабочей частоте приемника с рабочей характеристикой приемника.

Чтобы провести такую замену, нужно рассчитать коэффициент частотной коррекции помехи. Коэффициент частотной коррекции показывает, как ослабляется помеха, проходя через приемник, если ее частота не совпадает с частотой основного или побочного каналов приема и/или ширина спектра мешающего сигнала превышает полосу пропускания приемника. Если значение коэффициента частотной коррекции известно, то уровень мешающего сигнала на входе приемника можно уменьшить на коэффициент частотной коррекции (который обычно вычисляют в децибелах) и считать, что мешающий сигнал с новым уровнем находится в полосе пропускания на частоте настройки приемника. Описанный подход не применим к помехам, вызывающим нелинейные эффекты в приемнике.

Поскольку восприимчивость по ПКП существенно отличается от чувствительности приемника, сначала необходимо определить, какой вид излучения и по какому каналу может влиять на качество приема полезного сигнала. Так как передатчик имеет основное и неосновные излучения, а приемник основной и неосновные каналы приема, то возможны четыре вида взаимодействий излучений передатчика и каналов приема приемника, а именно:

ОО – основное излучение передатчика действует по основному каналу приема РПУ;

ОН – основное излучение передатчика действует по неосновному каналу приема РПУ;

НО – неосновное излучение передатчика действует по основному каналу приема РПУ;

НН – неосновное излучение передатчика действует по неосновному каналу приема РПУ.

Обычно частота основного или побочного излучения передатчика известна, так как ее выбирает тот, кто проводит анализ (или соответствующая программа, которая анализирует определенный набор излучений передатчика). Нужно установить канал, по которому излучение этой частоты может попасть на выход приемника. Канал устанавливают, руководствуясь следующим правилом: канал, относительно которого частота мешающего излучения имеет наименьшую расстройку, является каналом, по которому помеха может влиять на прием полезного сигнала.

Для линейных каналов приема (q = 1 в выражениях (8.7) и (8.8)) гармонику гетеродина p, образующую канал, по которому помеха с частотой f_i может пройти на выход приемника, а также значение расстройки помехи относительно этого канала можно найти следующим образом:

• 
  вычислить значение
  

p + Δp = (f_i ± f_пч)/ f_г ; (8.11)

• 
  определить значения p и Δp, для чего:
  

– результат, полученный согласно (8.11), округлить до ближайшего целого и взять его в качестве p;

– вычитая найденное значение p из результата, полученного согласно (8.11), найти Δp. Очевидно, что – 0.5 ≤ Δp ≤ 0.5. Например, если p + Δp = 1.8, то p = 2, а Δp = – 0.2. Или p + Δp = 2.1. Тогда p = 2, Δp = 0.1.

Как следует из (8.11), значение p + Δp для каждой f_i вычисляют дважды. В качестве Δp выбирают наименьшее (по модулю) из полученных двух значений;

• 
  вычислить расстройку Δf частоты помехи относительно канала приема, образованного p-ой гармоникой гетеродина
  

Δf = Δpf_г. (8.12)

В том случае, если необходимо определить, в какой из двух каналов, расположенных симметрично относительно p-ой гармоники, попадает мешающий сигнал (см. рис. 8.2), достаточно вычислить значение pf_г и сравнить его с f_i. Если f_i < pf_г, то помеха проходит по нижнему каналу, в противном случае – по верхнему. Это обстоятельство можно использовать, чтобы определить, попадает помеха в основной или зеркальный канал приема, если в результате расчета получено значение p = 1. При этом нужно помнить, что при f_0R < f_г, ОКП относительно f_г является нижним, а зеркальный канал верхним каналом. Если f_0R > f_г, ОКП является верхним каналом, а зеркальный канал нижним относительно f_г. (Изложенное относится к наиболее часто используемому на практике случаю f_пч = | f_0R– f_г |).

Процедура, связанная с определением p и Δf, может быть использована для любой частоты на входе приемника, в том числе и для излучений передатчиков, на гармониках и субгармониках, т. е. позволяет установить потенциально возможный вид помехи – ОО, ОН, НО или НН – по линейным каналам приема.

Предложенный способ определения ПКП может быть использован и в том случае, если анализ включает исследование не только линейных ПКП, но и ПКП, связанных с появлением гармоник частоты помехи в приемнике (q ≥ 2). Для этого в (8.11) нужно заменить f_i на qf_i и для каждого значения q определить пару значений Δp. Из полученного множества {Δp_j} следует выбрать и соответствующее ему p.

Рассмотрим небольшой пример. На приемник с параметрами: f_0R= 90МГц, f_г = 100МГц, f_пч = 10 МГц и B_пч = 0.2 МГц поступает помеха с частотой f_i= 70.02 МГц. Нужно определить ПКП, по которому помеха может влиять на прием полезного сигнала. Анализ включает исследование ПКП до значений q = 3.

Используя предложенный выше способ определения ПКП, результаты расчета можно представить в виде табл. 8.2, где знак «+» или «» над Δp означает знак, который использован в (8.11) между слагаемыми qf_i и f_пч (после замены f_i на qf_i).

Таблица 8.2

Результаты расчета относительной
расстройки частоты Δp

q	p	Δp+	Δp
1	1	0.1998	0.3998
2	2	0.4996	
	1		0.3004
3	2	0.0006	0.2006

Из таблицы следует, что излучение на частоте f_i =70.02 МГц потенциально может создать помеху по ПКП с параметрами p = 2, q = 3. Расстройка помехи по этому каналу составит Δf = Δpf_г = 0.0006∙100 = 0.06 МГц, что меньше, чем B_пч/2 = 0.1 МГц, т. е частота помехи попадает в полосу пропускания приемника. Естественно, окончательное решение о степени опасности рассматриваемой помехи можно вынести только после энергетической оценки помехи, которая, в частности, зависит и от значения коэффициента частотной коррекции.

Коэффициент частотной коррекции для помехи по ОКП можно вычислить, используя выражение

(8.13)

где CF_O(Δf) – коэффициент частотной коррекции при расстройке помехи Δf относительно ОКП, дБ; s(f) – спектральная плотность мощности, принимаемого излучения, Вт/Гц; |h(f)| – амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) приемника (наиболее узкополосного тракта ПЧ).

Для основного канала приема можно записать Δf = |f_0T – f_0R|. Здесь f_0T – частота мешающего передатчика; f_0R – частота настройки приемника. Для ПКП расстройка Δf определяется, используя выражения (8.11) и (8.12).

При вычислении CF_O(Δf) по (8.13) можно использовать нормированную спектральную плотность мощности мешающего сигнала, которую можно определить из маски его спектра.

Нормированная АЧХ приемника |h(f)| может быть получена из характеристики избирательности D(f) или АЧХ H(f) последнего тракта ПЧ приемника. Поскольку D(f) или H(f) обычно представлены в децибелах, то

|h(f)| = 10^D(f)/20 = 10^H(f)/20;

|h(f)|² = 10^0.1D(f) = 10^0.1H(f).

Выражение (8.13) можно представить в виде двух слагаемых, одно из которых CF₁ [дБ] дает ослабление помехи за счет несовпадения ширины спектра мешающего сигнала с шириной полосы пропускания приемника, а другое CF₂ [дБ] – дополнительное ослабление за счет за счет расстройки частот мешающего передатчика и приемника:

CF_О(Δf) = CF₁+ CF₂(Δf),

где

,



Если ширина спектра помехи меньше, чем полоса пропускания приемника, то можно положить CF₁ = 0 дБ. Если ширина спектра мощности излучения B_T не меньше, чем полоса пропускания приемника B_R (B_T ≥ B_R) на уровне 3 дБ, то во многих случаях CF₁ можно аппроксимировать выражением

CF₁ ≈ 10 lg(B_R/ B_T).

Учитывая указанное представление, можно использовать более простой, но, может быть, менее точный способ оценки CF_O(Δf) [16]:

(8.14)

где M(Δf) – маска спектра, отражающая уровень спектральных составляющих сигнала относительно максимума спектральной плотности мощности в необходимой полосе при отстройке Δf, дБ; D(Δf) – значение избирательности приемника при отстройке Δf, дБ; k – коэффициент, который принимает значение k = 0, если B_R ≥ B_T, или k = 10, если B_R < B_T.

Формула (8.14) не требует переходов от децибел к абсолютным единицам измерения и операции интегрирования. При малых расстройках выражение (8.14) определяет ослабление в приемнике за счет несовпадения полосы пропускания приемника с шириной спектра сигнала, поступающего в приемник, когда ширина спектра сигнала больше, чем полоса пропускания приемника. При больших расстройках происходит выбор из ослабления, обусловленного убыванием спектральной плотности мощности с увеличением отстройки и несовпадением ширины спектра поступающего излучения с полосой пропускания приемника, с одной стороны, и ослабления, обусловленного характеристикой избирательности приемника по ОКП, с другой стороны. Значение 100 дБ является ограничителем возможного ослабления помех в приемнике. Так, если по результатам расчета необходимо найти max{ 50, 120, 100} дБ, то это будет 50 дБ. Формула (8.14) выбирает минимальное (по модулю) значение ослабления помехи, сохраняя ситуацию наихудшего случая.

Если помеха поступает по ПКП с расстройкой Δf, то

CF_пк(Δf) = CF_О(Δf)  L_пк(f_i), (8.15)

где L_пк(f_i) – восприимчивость ПКП, по которому действует помеха, дБ.

Восприимчивость может быть определена в спецификации на приемник или вычислена с использованием математической модели, например (8.10).

Теперь, если уровень помехи на входе приемника на частоте f_i составляет I(f_i) [дБм], то уровень эквивалентной помехи на частоте настройки приемника f_0R, I_э(f_0R) [дБм] будет

I_э(f_0R) = I(f_i) + CF(Δf), (8.16)

где CF(Δf) – коэффициент частотной коррекции, который вычисляется по одной из формул (8.13) – (8.15) в зависимости от канала, по которому поступает помеха, и выбранного способа оценки коэффициента частотной коррекции.

Обращаясь к приведенному выше примеру, можно, используя (8.10), для f_i = 70.02 МГц получить L_пк(70.02) = 20 lg (70.02/90) + 80 = 82 дБ.

Если взять B_T = 0.1 МГц, то Δf = 0.06 МГц ≤ (0.1 +0.2)/2 = 0.15. Тогда из (8.14) CF_О(Δf) = 0 дБ (принимаем B_R = B_пч = 0.2 МГц). Теперь из (8.15) следует, что CF_пк(Δf) = 82 дБ, поскольку поправка на значение J при q > 1 вводится только для f_i > f₀.