скан учебника. Устройства приема и обработки сигналов Е.А.Колосовский 2007-600.. Учебное пособие для вузов. М Горячая линияТелеком, 2007. 456 с. ил. Isbn 593517264Х

• Название: Учебное пособие для вузов. М Горячая линияТелеком, 2007. 456 с. ил. Isbn 593517264Х
• Анкор: скан учебника
• Дата: 16.01.2021
• Размер: 0.55 Mb.
• Имя файла: Устройства приема и обработки сигналов Е.А.Колосовский 2007-600..docx
• Тип: Учебное пособие; #168586
• страница: 6 из 12

Избирательность. Мера способности радиоприемника выде­лить полезный сигнал из спектра колебаний, поступающих на его вход, называется избирательностью. В приемнике реализуется в основном частотная избирательность. Частотная избиратель­ность - выделение частоты сигнала, на которую настроен РПМ, из совокупности сигналов других частот и помех.

Различают несколько видов избирательности (рис. 2.2).



Рис. 2.2. Виды избирательности в РПУ

Односигнальная избирательность (ОСИ) оценивается при воз­действии на вход РПУ одного или нескольких сигналов с малой амплитудой, при которых РПУ работает в линейном режиме. Сре­ди характеристик приемника по односигнальной избирательности можно выделить полосы пропускания по основному каналу прие­ма, степень подавления помех по побочным и соседним каналам приема.

Селективные свойства приемника, с учетом нелинейных явле­ний, происходящих в его каскадах под воздействием мощных по амплитуде помех и затрудняющих качественный прием сигнала, характеризуются многосигнальной избирательностью (МСИ). К не­линейным явлениям относятся:

• 
  блокирование (забитие) - результат взаимодействия сигнала и мощной немодулированной помехи, вследствие чего уменьшает­ся коэффициент усиления каскада и приемника в целом;
  
• 
  перекрестная модуляция - перенос амплитудной модуляции с амплитудно-модулированной внеполосной помехи на полезный сигнал;
  
• 
  взаимная модуляция - явление формирования в трактах РПМ напряжения частотой сигнала при воздействии на вход двух или более помех, не совпадающих с частотой настройки приемника.
  

Методы оценки нелинейных явлений будут рассмотрены позже. Отметим, однако, что многосигнальная избирательность приемника (МСИ) существенно зависит от линейности вольтамперных харак­теристик используемых электронных приборов, распределения усиления и избирательности в радиотракте.

Частотная точность. Частотная точность приемника - мера способности РПМ устанавливать и поддерживать частоту настрой­ки приемника на заданном номинале. Количественно она оценива­ется суммарным отклонением частоты настройки приемника (A4pz) от номинального значения. Это отклонение включает:

• 
  первоначальную погрешность установки частоты Af_npy (за счет гравировки и градуировки шкал и неточности отсчета по шкале в приемниках с оптическими шкалами);
  
• 
  нестабильность настройки Д4р_Н приемника во времени (за счет изменения температуры, механических воздействий, изменения питающих напряжений и т.д.).
  

При этом

Д •у Д^_Пру Д^_прн ■

Квадратическое суммирование погрешностей осуществляется с учетом того, что погрешности установки и уходы частоты могут иметь как одинаковые, так и разные знаки.

В приемниках супергетеродинного типа нестабильность частоты настройки в основном определяется нестабильностью частот гете­родинов. При нескольких преобразованиях:

Af_np = д/д/Д +Д4²₂ +- •

Нестабильность настройки избирательных систем радиотракта мала по сравнению с нестабильностью гетеродинов и поэтому не учитывается.

Помехоустойчивость. Под помехоустойчивостью понимают способность РПУ воспроизводить переданное сообщение с задан­ным качеством при действии внешних и внутренних помех. Для не­прерывных сообщений качество приема оценивается отношением сигнал/шум на в.ыходе демодулятора. Если сообщения дискретные (например, сигналы телеграфной связи), то качество их приема оценивается вероятностью правильного приема P_no = при

^р N

N—>°° или вероятностью ошибочного приема Р_ош = 1-P_np =lim-^ при где N - общее число переданных посылок; Л/_прав, Чш - число правильно и ошибочно принятых посылок.

Помехоустойчивость часто характеризуется пороговым отноше­нием сигнал/шум на входе детектора (на выходе линейного тракта приемника (ПТП), который часто также называют усилительно­преобразовательным трактом). Пороговым называют такое отно­шение сигнал/шум на входе демодулятора ₽ = ((/_с/1/_ш)_вхд, ^ПР^{И ко}" тором достигается заданное качество приема.

Повышение помехоустойчивости обеспечивается всеми видами избирательности, а также созданием оптимальных (квазиопти- мальных) структур приемников и специальными мерами борьбы с помехами при обработке принимаемых сигналов.

Степень искажения сигналов. Под искажениями сигналов в радиоприемнике понимаются изменения формы выходного сигнала (закона, по которому были промодулированы амплитуда, частота, фаза или импульсы радиосигнала) по сравнению с формой входно­го сигнала, вызывающие ухудшение качества воспроизведения пе­редаваемого сообщения.

Сигналы могут претерпевать линейные и нелинейные искаже­ния. Линейные искажения возникают в результате инерционности линейных цепей, коэффициент передачи которых зависит от час­тоты. К таким цепям относятся цепи с реактивными элементами - катушками индуктивности и конденсаторами. Нелинейные искаже­ния возникают из-за нелинейности вольтамперных характеристик элементов приемника (полупроводниковых приборов и т.п.).

К линейным искажениям сигнала относятся амплитудно- частотные и фазочастотные.

Амплитудно-частотными называют искажения формы сигнала, возникающие в результате неодинакового усиления отдельных со­ставляющих спектра сигнала.

Фазочастотными искажениями называют изменения формы сиг­нала на выходе приемника, возникающие вследствие неодинаковой задержки составляющих сигнала, в результате чего нарушаются фа­зовые соотношения между составляющими сложного сигнала.

Наиболее сложными для данного приемника являются искаже­ния, соответствующие виду модуляции принимаемого сигнала:

• 
  для AM - амплитудно-частотные искажения;
  
• 
  для ЧМ и ФМ - фазочастотные.
  

В радиоприемниках импульсных сигналов большую роль играют переходные процессы в цепях, содержащих реактивные элементы. Искажения формы сигнала, вызванные переходными процессами, называются переходными.

Для оценки степени искажения сигналов используются извест­ные из курса теории цепей характеристики (рис.2.3):

• 
  амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) (рис.2.3,а);
  
• 
  фазочастотная характеристика (ФЧХ) (рис.2.3,б);
  
• 
  амплитудная характеристика (импульсная, переходная) (рис.2.3,в);
  
• 
  переходная (импульсная) характеристика (рис.2.3,г).
  

При этом данные характеристики снимаются в зависимости от частоты F гармонически изменяющегося модулируемого параметра радиосигнала в антенне для аналоговых видов модуляции, и дис­кретных изменений модулированного параметра в случае теле­графных передач.

Нелинейные искажения проявляются на выходе приемника в появлении новых гармонических составляющих, которых не было в передаваемом сообщении (т.е. в спектре модулирующего колеба­ния), и оцениваются допустимым коэффициентом нелинейных ис­кажений при заданном коэффициенте модуляции.



Рис. 2.3. Характеристики РПУ

Электромагнитная совместимость (ЭМС). Под электромаг­нитной совместимостью понимают обеспечение совместной рабо­ты данной радиоэлектронной аппаратуры с другой аппаратурой, которая создает мешающее излучение. Применительно к приемни­кам для ЭМС принимают меры по уменьшению его собственных излучений и предусматривают защиту приемников от влияния по­мех других устройств по соседним и побочным каналам приема, а также от индустриальных помех. ЭМС задается допустимыми уровнями напряжений гетеродина, «просачивающегося» в антенну, на выход приемника, в цепи питания, управления, коммутации.

Динамический диапазон приемника по основному каналу. Под этой характеристикой понимают диапазон граничных уровней входного сигнала, при котором обеспечивается нормальное каче­ство приема. Минимальный уровень входного сигнала ограничива­ется уровнем собственных шумов, т.е. чувствительностью прием­ника. Максимальный уровень сигнала ограничен допустимыми не­линейными искажениями в усилительных и преобразовательных каскадах приемника из-за нелинейных характеристик электронных приборов при сильных сигналах. Таким образом, динамический диапазон - отношение максимально возможного напряжения на входе РПМ (для нормальной работы) по отношению к чувствитель­ности

п _ ^вх max

Е_а0

Часто динамический диапазон выражают в децибелах:

U р

О[дБ] = 20lg ^в*^тах или СЦдБ] = 10lg %^тах .

с_ао ”а0

Изменение амплитуды сигналов и помех в реальных условиях может достигать 90...100 дБ и более. Для расширения динамиче­ского диапазона используются электронные приборы с большим линейным участком вольтамперной характеристики и автоматиче­ская регулировка усиления (АРУ).

Параметры ручных и автоматических регулировок. Система регулировок обеспечивает:

• 
  настройку РПМ на частоту корреспондента;
  
• 
  установку величины усиления в соответствии с уровнем при­ходящего сигнала;
  
• 
  изменение полос пропускания и характеристик тракта с целью оптимального приема и максимального подавления помех;
  
• 
  подстройку радиоприемника с учетом возможных дестабили­зирующих факторов.
  

При этом для различных видов регулировок указываются:

• 
  для ручной регулировки усиления (РРУ) - пределы изменения коэффициента усиления во входном аттенюаторе, трактах до и по­сле детектора;
  
• 
  для автоматической регулировки усиления (АРУ) - допусти­мые изменения уровня сигнала на выходе РПМ при изменениях уровня сигнала в антенне в заданных пределах, а также постоян­ная времени системы АРУ;
  
• 
  для регулировки полосы пропускания (ПП) - пределы измене­ния ПП и коэффициентов прямоугольности;
  
• 
  для системы автоматической подстройки частоты (АПЧ) - по­лосы схватывания, удержания, коэффициент автоподстройки
  

iz _

''АПЧ -Т7

Д'ост /

точность и время подстройки частоты;

- для системы автоматической перестройки частоты - макси­мальное и среднее время перестройки на одну из заданных частот с помощью системы автоматики.

Мощность и другие характеристики питания приемника. Ес­ли источник питания имеет ограниченную мощность, то задается максимально потребляемая мощность радиоприемником.

К основным конструктивно-эксплуатационным характеристикам радиоприемников относят:

• 
  надежность работы, оценивается средним временем работы за отказ или вероятностью безотказной работы;
  
• 
  стабильность и устойчивость работы, оценивается по способ­ности приемника сохранять свои электрические характеристики в допустимых пределах при воздействии окружающей среды и изме­нении режима источника питания.
  

Кроме того, указываются габариты, масса приемника, его ре­монтопригодность.

К основным производственно-экономическим характеристикам радиоприемников относятся:

• 
  стоимость приемника;
  
• 
  сроки разработки;
  
• 
  размер партии;
  
• 
  серийноспособность;
  
• 
  сроки морального износа;
  
• 
  соответствие мировым стандартам и др.
  

Таким образом, знание основных качественных показателей ра­диоприемника и их физического смысла должно помочь обучае­мым найти правильные подходы к оцениванию степени соответст­вия различных РПУ предъявляемым требованиям, а также к проек­тированию приемников по заданным характеристикам.

2. 
   Обобщенная структурная схема
   радиоприемника
   

Состав, сложность структурной схемы приемника зависит от его назначения и условий эксплуатации. Так, приемное устройство подвижного комплекса по своим тактико-техническим данным, а следовательно, и структурной схеме и конструктивному оформле­нию существенно отличается от приемного устройства, предназна­ченного для работы на стационарном приемном центре.

С этой точки зрения все профессиональные приемники условно могут быть разбиты на три класса, особенности РПУ этих классов достаточно подробно изложены в литературе по проектированию приемников. Коротко перечислим области применения приемников основных классов:

. I класс - РПУ, используемые на стационарных или полевых радиоцентрах, в составе радиостанций средней и большой мощно­сти, на отдельных приемных машинах. Качественные показатели таких РПУ самые высокие. По схемному построению - это суперге­теродины с двумя или тремя преобразователями частоты. Питание РПУ I класса - централизованное (от сети);

• 
  II класс - РПУ, используемые чаще всего на стационарных или по­левых приемных радиоцентрах, в составе радиостанций средней и большой мощности как вспомогательные средства приема. Они обес­печивают в основном слуховые виды работы. Качественные показате­ли примерно такие же, как и у РПУ I класса. По схемному построению - супергетеродины с двумя преобразователями частоты. Электропита­ние таких РПУ может быть как централизованным, так и автономным;
  
• 
  III класс - РПУ, используемые в составе подвижных приемных станций, для обеспечения работы в дежурных радиосетях, а так же в составе автономных или переносных радиостанций. Имеют, как правило, автономное электропитание.
  

Основные требования, предъявляемые к современным профес­сиональным РПМ:

• 
  необходимый и достаточный ДРЧ для связи в сетях соответ­ствующих звеньев управления, широкодиапазонность;
  
• 
  высокая частотная точность, обеспечение беспоискового вхо­ждения в связь и длительный период работы без подстройки;
  
• 
  высокие чувствительность и избирательность;
  
• 
  высокая помехоустойчивость, т.е. способность обеспечивать достоверный прием полезной информации;
  
• 
  наличие трактов приема как телефонных, так и телеграфных передач, т.е. универсальность;
  
• 
  возможность программной и панорамной перестройки по час­тоте;
  
• 
  возможность сопряжения с ПЭВМ и другой дополнительной аппаратурой;
  
• 
  высокая эксплуатационная надежность.
  

В то же время в основе построения приемников любого назна­чения лежат общие принципы. Практически все профессиональные РПУ строятся по супергетеродинной схеме с двойным, а иногда тройным и более преобразованиями частоты. Поэтому любой при­емник содержит в принципе одни и те же тракты, но сложность этих систем зависит от конкретных требований к приемнику.

Типовая схема профессионального радиоприемника супергете­родинного типа представлена на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Обобщенная структурная схема профессионального РПУ супергетеродинного типа


Гпава 2




Рассмотрим назначение основных элементов схемы, а также определим, на какие показатели качества приемника влияет тот или иной тракт.

1. 
   Тракт высокой (принимаемой) частоты, или преселектор - часть схемы приемника от его входа до первого смесителя. Пресе­лектор обеспечивает предварительное усиление и избиратель­ность по принимаемому сигналу при работе в широком диапазоне частот.
   

От структуры преселектора, распределения усиления, избира­тельности и параметров нелинейности усилительных каскадов за­висит чувствительность приемника, степень подавления побочных каналов первого преобразования, а также многосигнальная изби­рательность приемника.

Функции:

• 
  обеспечение усиления принимаемого сигнала и создание не­обходимого соотношения сигнал/шум на входе РПМ;
  
• 
  обеспечение ОСИ, т.е. создание требуемого подавления по­мех по побочным каналам приема;
  
• 
  обеспечение МСИ при воздействии на вход РПМ сигнала и одной или нескольких помех с относительно большой амплитудой;
  
• 
  ослабление излучений колебаний первого гетеродина в ан­тенну.
  

Назначение элементов:

• 
  аттенюатор - обеспечение ослабления мощного сигнала и помех для реализации линейного режима работы РПУ;
  
• 
  входное устройство - согласование антенны с УВЧ, наиболее эффективная передача энергии из антенны в УВЧ, частотная изби­рательность по побочным каналам приема;
  
• 
  УВЧ - усиление сигнала до величины, необходимой для рабо­ты первого смесителя (К_ус = 6 ...10 дБ) и подавление помех по ПК приема за счет резонансной нагрузки.
  

Иногда перед ВхУ включают предварительный фильтр для по­давления излучения близко расположенных радиопередатчиков.

2. 
   Тракт преобразования частоты - часть схемы приемника от входа первого смесителя до входа детектора. В зависимости от числа преобразований он включает тракты первой, второй и т.д. промежуточных частот, один из которых является трактом основ­ной промежуточной частоты. В зависимости от требований к РПУ ОПЧ может быть получена на первой, второй и т.д. ступени преоб­разования. По отношению к некоторой ступени преобразования все предыдущие тракты осуществляют функции, подобные функциям преселектора, в частности, обеспечивают подавление побочных каналов данного преобразования. В некоторых случаях тракт пре­образования является составной частью общей системы стабили­зации частоты. Основным условием для выбора номинала 1ПЧ яв­ляется обеспечение необходимого Подавления помехи по 13К в худшей точке диапазона (как правило, на верхней границе ДРЧ).
   

Тракт основной промежуточной частоты - часть схемы прием­ника от входа смесителя основной промежуточной частоты до вхо­да детектора. В этом тракте реализуются основная избиратель­ность приемника по соседним каналам приема и усиление, необхо­димое для нормальной работы детектора. При выборе номинала ОПЧ необходимо согласование с внешними демодулирующими устройствами. ОПЧ выбирается, как правило, низкой для обеспе­чения более узких полос пропускания фильтров и подавления по­мех по СК приема.

3. 
   Детектор - обеспечивает извлечение информации из прини­маемого радиосигнала, преобразование его в низкочастотный пер­вичный сигнал. Обычно в состав приемного устройства, рассчитан­ного на прием нескольких видов сигналов, включается соответст­вующее количество детекторов. Для простейших видов сигналов они могут конструктивно входить непосредственно в тракт приема. Для сложных видов передач (например, многоканальных) решаю­щие схемы конструктивно выполняются в виде отдельных закон­ченных устройств, которые подключают к выходу основной проме­жуточной частоты приемника.
   
4. 
   Тракт низкой частоты - часть схемы от выхода детектора до выхода приемника (входа оконечного устройства) - обеспечивает необходимое усиление, иногда избирательность по низкой частоте.
   
5. 
   Система стабилизации частоты - часть схемы приемника, не­посредственно. не связанная с прохождением сигнала, вырабатыва­ет необходимые для смесителей тракта преобразования напряже­ния гетеродинирующих частот. В простейшем случае это один или несколько автогенераторов. В случаях, когда требуется обеспечить высокую частотную точность и стабильность, необходимые для ве­дения приема без поиска и без подстройки, приходится применять более сложные схемы, включающие высокостабильные опорные генераторы и синтезаторы частот. Последние формируют сетку час­тот с требуемым шагом сетки. Стабильность любой частоты из сетки частот определяется стабильностью опорного генератора.
   
6. 
   Системы автоматического и ручного управления в приемнике - часть схемы приемника, включающая как автономные цепи, так
   

и цепи, входящие в состав других трактов приемника. Предназна­чены для изменения параметров элементов приемника, а иногда и его структуры с целью согласования его с принимаемым сигналом и помеховой ситуацией.

При этом важным представляется то, что изучение того или иного тракта, элемента этого тракта обязательно должно ориенти­роваться на ответ: как влияет выбранная структура или метод реа­лизации на соответствующие качественные показатели приемника, от каких факторов они зависят и чем обеспечиваются?

Таким образом, схема супергетеродинного приемника имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с приемником прямого усиления, что предопределило ее широкое использование. Как правило, все профессиональные радиоприемники строятся по этой схеме.

Супергетеродин позволяет обеспечить узкие полосы пропуска­ния и высокий коэффициент прямоугольности практически в любом диапазоне частот, высокую чувствительность и относительное по­стоянство качественных показателей. Однако для обеспечения вы­соких требований, предъявляемых к профессиональным приемни­кам, по частотной точности, избирательности, внеполосным кана­лам приема, малым уровням излучения гетеродина в антенну, а также по другим характеристикам, приходится значительно услож­нять схему и конструкцию радиоприемного устройства.

Глава 3

ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА РАДИОПРИЕМНИКОВ

Тракт принимаемой частоты (преселектор) является одним из основных узлов приемника, определяющим его основные качест­венные показатели. От структуры и параметров этого тракта в ре­шающей степени зависят реальная чувствительность, односиг­нальная и многосигнальная избирательность радиоприемника.

Тракт принимаемой частоты включает в себя каскады радио­приемника от входа до первого смесителя. Преселектор должен выполнять следующие функции.

1. 
   Усиливать принимаемый сигнал и создавать необходимое со­отношение сигнал/шум на входе смесителя.
   
2. 
   Обеспечивать односигнальную избирательность приемника, т.е. создавать требуемое ослабление помехи по зеркальному ка­налу и на промежуточной частоте первого преобразования, а также других наиболее опасных помех по побочным каналам приема.
   

В тех случаях, когда полоса пропускания преселектора соизме­рима с полосой пропускания тракта промежуточной частоты, пре­селектор в определенной степени ослабляет помехи, действующие по соседнему каналу.

3. 
   Обеспечивать многосигнальную избирательность приемника при действии на его вход колебаний сигнала и одной или несколь­ких помех'с относительно большими амплитудами. Нелинейные явления в приемнике (блокирование, перекрестная и взаимная мо­дуляция) в наибольшей степени проявляются в диапазоне дека­метровых волн, так как для этого диапазона, в силу специфических условий дальнего распространения радиоволн, характерна боль­шая плотность работающих радиостанций. Кроме того, нелиней­ные явления могут возникнуть в приемниках при работе близко расположенных радиопередатчиков и на приемных центрах в ре­зультате излучений колебаний гетеродинов в антенну.
   
4. 
   Ослаблять излучение колебаний первого гетеродина в антенну.
   

Типовой преселектор приемника, реализующий данные функ­ции, состоит из аттенюатора, одноконтурной либо двухконтурной

входной цепи и, как правило, двух-трех каскадов усиления высокой частоты.

1. 
   Назначение, основные параметры
   входного устройства
   

Входным устройством (входной цепью) называется часть схемы приемника, связывающая антенну или антенный фидер со входом первого каскада приемника.

Входная цепь предназначена для более эффективной передачи полезного сигнала на вход 1-го каскада приемника и, обладая ре­зонансными свойствами, служит для осуществления предвари­тельной частотной избирательности.