Области применения, виды принимаемых сигналов и задачи упос

• Название: Области применения, виды принимаемых сигналов и задачи упос
• Дата: 21.06.2020
• Размер: 1.37 Mb.
• Имя файла: UPOS_Otvety.docx
• Тип: Документы; #131692
• страница: 3 из 8

Элементы и узлы УПОС

2. Приемныеантенны.

   • 
     Непосредственно антенны к УПОС не относятся, но важно знать их основные характеристики (прежде всего импеданс), чтобы правильно рассчитать входную цепь приемника.
     
   • 
     Антенны бывают:
     
     • 
       настроенные (согласованные). Это антенны, импеданс которых на частоте настройки (или в диапазоне частот) близок к некоторой вещественной частотно-независимой величине (чаще всего 50 или 75 Ом);
       
     • 
       ненастроенные. Импеданс таких антенн имеет существенную мнимую составляющую и значительно изменяется в диапазоне принимаемых частот.
       
   • 
     Настроенная антенна получается, если действие элементов, запасающих энергию в виде электростатического поля на частоте настройки компенсируется действием элементов, запасающих энергию в виде магнитного поля.
     
   • 
     В ненастроенной антенне электрические и магнитные явления в ближней зоне не уравновешены. Поэтому такие антенны имеют выраженную мнимую составляющую импеданса:
     
     • 
       емкостную (короткий (относительно длины волны) электрический штырь);
       
     • 
       магнитную (короткий магнитный вибратор).
       

3. Согласование с приемнойантенной.

   • 
     Входная цепь – цепь связывающая антенну с первым усилительным или преобразовательным элементом.
     
   • 
     Задачи ВЦ:
     
     • 
       согласование импедансов антенны и последующего каскада для максимизации передаваемой в него мощности;
       
     • 
       предварительная фильтрация побочных каналов приема и интенсивных по уровню помех, способных вызвать насыщение первого активного каскада.
       
   • 
     Даже если входная цепь приемника несложная схемотехнически, к ее анализу и расчету следует подходить ответственно, поскольку это цепь перестраиваемая и нужно не просто обеспечить заданные ее характеристики, но обеспечить их сохранение во всем диапазоне перестройки.
     

Основными параметрами ВЦ являются:

• 
  Коэффициент передачи напряжения K, который определяется отношением напряжения сигнала на входе первого активного каскада приемника (U_вх) к ЭДС в антенне E_A.
  
• 
  Полоса пропускания – ширина области частот с допустимой неравномерностью коэффициента передачи.
  
• 
  Избирательность – уменьшение коэффициента передачи напряжения при заданной расстройке
  

К(f) по сравнению с резонансным значением K₀.

• 
  Перекрытие заданного диапазона частот при перестройке ВЦ без существенного ухудшения коэффициента передачи, полосы пропускания и избирательности.
  

2. Входные цепи: структурная схема и варианты принципиальныхсхем.

Схемотехнически входные цепи очень разнообразны, но так или иначе в них выделяются следующие элементы:

• 
  согласующие элементы, компенсирующие реактивную составляющую импеданса антенны. Например, для коротких электрических штырей это удлинительная катушка;
  
• 
  фильтр, резонансная цепь или колебательный контур, обеспечивающий фильтрацию внеполосных помех;
  
• 
  трансформатор, автотрансформатор или емкостной делитель, обеспечивающий оптимальное с точки зрения передачи мощности и фильтрующих свойств включение антенны в резонансную цепь;
  
• 
  трансформатор, автотрансформатор или емкостной делитель, связывающий резонансную цепь с первым активным каскадом.
  

2. Расчет одноконтурной входнойцепи.

   • 
     Ключевой вопрос здесь – правильно рассчитать коэффициенты включения антенны и первого каскада УРЧ в резонансный контур.
     
   • 
     Будем обозначать коэффициент включения антенны в контур m, а коэффициент включения первого каскада УРЧ в контур n.
     

• 
  Коэффициент передачи входной цепи максимален при одинаковом шунтировании контура как
  

со стороны антенны, так и со стороны входа УРЧ, т.е. когда

m² G_а = n² G_вх,

где G_a – проводимость антенны, G_вх – входная проводимость УРЧ.

• 
  Конкретные значения m и n можно определить, если задаться собственной проводимостью контура (без подключения антенны и УРЧ) G_к и нагруженной проводимостью контура G_экв. G_к определяется качеством катушки индуктивности и конденсатора, а G_экв связано с полосой пропускания нагруженного контура. Если эти величины известны, то их разность (G_экв – G_к) – это величина дополнительной проводимости, которая отражает шунтирующее действие антенны и входа УРЧ. Поскольку шунтирующее действие и антенны, и УРЧ должно быть одинаковым, то каждый из них должен создавать приведенную к контуру проводимость (G_экв
  

– G_к)/2. Т.е. m² G_а = n² G_вх = (G_экв – G_к)/2.

• 
  При заданной П эквивалентная добротность нагруженного контура Q_экв = f₀/П,
  
• 
  Зная характеристическое сопротивление контура p_к = 2pf₀L_к находим эквивалентную проводимость G_экв = 1/(p_к Q_экв).
  

2. Перестройка входных цепей. Удлиненные и укороченные антенныецепи.

• 
  Основной способ перестройки резонансных цепей в настоящее время состоит в использовании варикапов:
  
• 
  Варикап обеспечивает изменение величины емкости контура примерно в 2…5 раз. Т.е. обеспечивается перестройка примерно вдвое по частоте. Если нужно перекрыть больший диапазон частот, то нужно изменять также и индуктивность контура. Обычно это делается путем переключения индуктивностей:
  
• 
  При перестройке по диапазону в общем случае изменяются два основных параметра входной цепи:
  
  • 
    коэффициент передачи;
    
  • 
    избирательность.
    
• 
  Существует две основных причины изменения параметров входной цепи:
  
  • 
    изменение импеданса настроечных элементов;
    
  • 
    изменение импеданса антенны.
    

В частном случае емкостной связи с антенной: χ = 4R_аR_нω²C_а². Поэтому коэффициент передачи ВЦ квадратично растет с частотой.

2. Усилители радиочастоты: требования, параметры исхемотехника.

   • 
     Основные требования к УРЧ:
     
     • 
       подавление зеркального и прямого каналов;
       
     • 
       обеспечение необходимого коэффициента усиления;
       
     • 
       перекрытие рабочего диапазона частот;
       
     • 
       установленная неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне частот.
       
   • 
     Основные параметры УРЧ:
     
     • 
       коэффициент усиления;
       
     • 
       коэффициент шума;
       
     • 
       частотная избирательность;
       
     • 
       коэффициент перекрытия диапазона частот;
       
   • 
     В большинстве современных приемников основное усиление реализуется на промежуточной частоте и частоте модуляции.
     
   • 
     Поэтому в задачи УРЧ (малошумящего усилителя, МШУ) входит предварительное усиление сигнала до уровня, при котором шумы последующих каскадов не будут вносить существенного вклада в общие шумы тракта. Для этого обычно достаточно обеспечить усиление в УРЧ порядка 20 дБ (10 раз).
     

2. Шумы в УПОС: определение чувствительности приемника; физика возникновения, закономерности накопления и характеризация шумов.

   • 
     Чувствительность – мера способности радиоприемника обеспечивать прием слабых сигналов.
     
   • 
     Главным фактором, ограничивающим усиление, являются шумы, поскольку обеспечить нужное усиление нет особой проблемы.
     
   • 
     Источниками шума являются все элементы, обладающие омическим сопротивлением, и активные элементы, работа которых основана на управлении потоками носителей заряда.
     
   • 
     Тепловой шум – белый шум.
     
   • 
     Шумовая модель резистивного элемента R представляет собой источник шумового
     

ш
напряжения с E² = 4kTRП_ш,

• 
  где k – постоянная Больцмана;
  
• 
  Т – абсолютная температура;
  
• 
  П_ш – полоса, в которой вычисляются шумы.
  

• 
  Сам прибор считается не шумящим.
  
• 
  Шум на выходе считают следствием усиления подводимого к управляющему электроду шумового напряжения U_ш.вх., создаваемого двумя фиктивными генераторами:
  
  • 
    генератором ЭДС E_ш.вх;
    
  • 
    генератором тока I_ш.вх. с внутренней проводимостью G₁₁ (входная проводимость прибора).
    
• 
  Другими словами шумы приводятся ко входу усилительного элемента.
  
• 
  Считают, что основная часть шумов возникает в эквивалентном шумовом сопротивлении, определяющим шумовую ЭДС:
  
• 
  E²_ш = 4kTR_шП_ш.
  
• 
  Для шумового тока формула несколько сложнее:
  

• 
  I²_ш = 4kTt_шG₁₁П_ш,
  

• 
  где t_ш = T_ш/T₀ – относительная шумовая температура (на сколько температура нагрева G₁₁ должна быть больше нормальной, чтобы I_ш создавал шумы, эквивалентные тем, которые наводятся в цепи управляющего электрода).
  

характеризация

• 
  Коэффициент шума.
  
• 
  Шумовая температура.
  
• 
  Коэффициент шума показывает, во сколько раз мощность шумов на выходе реального четырехполюсника превышает мощность шумов на выходе идеального (нешумящего): Ш = P_ш.вых./P_{ш.вых.и.}. Определяется следующим образом:
  
  • 
    четырехполюсник имеет входное сопротивление Rвх, коэффициент передачи по мощности K_Pи нагружен на R_н.
    
  • 
    на его вход подключен источник с сопротивлением R_г и напряжением шума
    

• 
  На входе четырехполюсника рассеивается мощность шумов
  
  • 
    
    ш
    
    вх
    
    ш
    P_ш.вх = E² /(4R ) = ηkTП , где η – коэффициент рассогласования.
    
• 
  На выходе нешумящего четырехполюсника получилась бы мощность
  
• 
  P_ш.вых.и = ηkTП_шK_P. Реально добавляется мощность шумов четырехполюсника
  
• 
  ^Pш.вых ^{= P}ш.вых.и ^{+ P}ш.соб
  
• 
  Коэффициент шума Ш = P_ш.вых / P_ш.вых.и = 1 + P_ш.соб / P_ш.вых.и = 1 + P_ш.соб / (ηkTП_шK_P).
  
• 
  Коэффициент шума зависит от шумовой температуры источника сигнала и поэтому не является собственным параметром усилителя. Чтобы получить собственный параметр, шумовую температуру источника сигнала принимают равной комнатной.
  
• 
  Типичные значения коэффициента шума усилителей: 5…9 дБ.
  

• 
  Tш показывает, насколько должна быть повышена шумовая температура источника сигнала, подключенного на вход нешумящего четырехполюсника, чтобы шумы на его выходе были равны шумам на выходе реального четырехполюсника.
  

2. Усилители промежуточной частоты: требования исхемотехника.

Основные два вопроса, которые нужно решить при проектировании УПЧ:

• 
  реализация коэффициента усиления, обеспечивающего требуемую чувствительность, ограниченную усилением e_c.мин;
  
• 
  обеспечение избирательности по соседнему каналу. Реализуется
  
  • 
    либо при помощи фильтра сосредоточенной селекции (ФСС), обычно имеющего значительное затухание, которое нужно компенсировать;
    
  • 
    либо распределенно в каждом из каскадов УПЧ.
    

2. Принцип действия преобразователейчастоты.

   • 
     Преобразователи частоты предназначены для переноса спектра сигнала из одной частотной области в другую.
     
   • 
     Перенос спектра осуществляется нелинейными элементами (диодами, транзисторами), но с точки зрения системных характеристик преобразователя частоты перенос спектра должен осуществляться линейно, т.е. без изменения параметров модуляции.
     
   • 
     Преобразование частоты осуществляется за счет умножения входного радиосигнала на периодический, чаще всего гармонический, сигнал:
     

2. Нелинейные искажения в тракте УПОС и иххарактеризация.

   • 
     Для преобразователя частоты принципиально использование нелинейных элементов, поэтому это один из основных источников нелинейных искажений в приемнике.
     
   • 
     В связи с этим важными параметрами преобразователей частоты являются параметры, характеризующие их нелинейные искажения.
     
   • 
     Для узкополосных сигналов нелинейные искажения проявляются в двух аспектах:
     
     • 
       как непропорциональное изменение амплитуды первой гармоники выходного сигнала при линейном изменении амплитуды входного;
       
     • 
       как искажение формы входного гармонического сигнала.
       
   • 
     Основой для такой характеризации служит амплитудная характеристика (усилителя или преобразователя частоты). Численно такие искажения характеризуют точкой компрессии (по входу или выходу).
     

• 
  Искажения формы гармонического сигнала проявляются в виде появления гармоник на кратных частотах.
  
• 
  Четные гармоники характеризуют асимметрию схем и могут вовсе отсутствовать в симметричных нелинейных схемах. Амплитудное ограничение, эффекты насыщения и отсечки характеризуют нечетные гармоники, прежде всего третьего порядка.
  

В режиме малого сигнала множитель при cos(ωt) можно считать пропорциональным амплитуде входного сигнала, а множитель при cos(3ωt) пропорционален кубу амплитуды входного сигнала.

2. Схемотехника преобразователейчастоты.

   • 
     В принципе операция умножения сигналов может быть выполнена двумя типами элементов:
     
     • 
       диодами или транзисторами;
       
     • 
       параметрическими элементами, например конденсаторами на основе нелинейных диэлектриков.
       

Общая идея построения транзисторных преобразователей частоты: в управляемой цепи (коллектор-эмиттер или сток-исток) создается ток одним из гармонических колебаний (например, гетеродином), а в управляющей цепи – другим (например, входным сигналом).

2. Преобразователи частоты с фазовым подавлением зеркальногоканала.

Преимущество – высокая развязка выхода от входных сигналов

• 
  Вышеприведенные преобразователи частоты работают в соответствии с формулой:
  

u u  ¹ U U

cos((

  )t  )  cos((

  )t  )

с г ₂ c г

c г c

c г c

• 
  Косинус – четная функция, поэтому одинаковые сигналы получаются как при частоте сигнала выше частоты гетеродина, так и ниже. Это означает образование зеркального канала приема.
  
• 
  На основе квадратурного построения получают преобразователь частоты, в котором выходной сигнал создают только спектральные составляющие с частотами либо выше, либо ниже частоты гетеродина.
  

Особенный функциональный элемент в таком преобразователе частоты – фазовращатели, поэтому их называют преобразователями частоты с фазовым подавлением зеркального канала.

2. Автогенераторы. Обратное преобразование шумовгетеродина.

   • 
     Они используются в качестве:
     
     • 
       гетеродинов (одного или нескольких);
       
     • 
       генераторов тактового сигнала в цифровых приемниках.
       

• 
  Для того, чтобы автогенератор возбуждался на заданной частоте, цепь обратной связи выполняется с заданными реактивными свойствами: в виде интегратора, линии задержки или резонатора.
  
• 
  Различие между автогенераторами состоит главным образом в том, какая именно цепь используется для задания и стабилизации частоты генерации. В принципе для обеспечения генерации на заданной частоте достаточно самых простых цепей, например RC-цепи.
  
• 
  Однако в таком случае шумы в усилительном каскаде и внешние дестабилизирующие факторы будут приводить как долговременной нестабильности частоты, так и кратковременной (фазовым шумам).
  
• 
  Современные цифровые приемники весьма чувствительны в фазовым шумам гетеродина и тактовых генераторов, поскольку выходной сигнал преобразователя частоты меняется одинаково как при изменении фазы полезного сигнала, так и гетеродина.
  
• 
  Для стабилизации частоты автогенераторов добротность цепи обратной связи стараются максимизировать. Для этого используют в основном высокодобротные LC-контуры и кварцевые резонаторы.
  
• 
  С другой стороны фазовые шумы и нестабильность частоты можно уменьшить
  
  • 
    охлаждением генератора с термостатированием;
    
  • 
    экранированием.
    

С использованием последовательного резонанса/С использованием параллельного резонанса Шумовая модуляция – увеличение общего уровня шумов приемника при воздействии

сильного внеполосного сигнала.

2. Распределенная основнаяселекция.

   • 
     Реализуется, как правило, в УПЧ.
     
   • 
     По распределению селективных цепей по УПЧ делится на:
     
     • 
       распределенную селекцию (селективные цепи распределены по УПЧ);
       
     • 
       сосредоточенную селекцию (УПЧ выполняется широкополосным, а все селективные цепи реализуются в виде фильтра сосредоточенной селекции).
       
   • 
     Параметры фильтров основной селекции:
     
     • 
       полоса пропускания (как правило, по уровню 0.707);
       
     • 
       избирательность по соседнему каналу.