Линейный тракт. ФП1П-041. Упи н. П. Никитин, В. В. Кийко проектирование радиоприемных устройств на базе аналоговых блоков учебное пособие Научный редактор доц канд техн наук В. И. Елфимов Екатеринбург 2004 2
 Скачать 1.95 Mb.
|
|
ССН ВЦ УРЧ См УПЧ ЧД Г СтД Л АРУ БшН АПЧ П Сигнал индикации режима стерео Напряжение настройки 13 систем управления, синтезаторов частот и микропроцессоров, а также повышение требований к дизайну. Улучшение показателей качества осуществляется за счет применения современной элементной базы и схемотехники. Существует большое число транзисторов, устойчиво работающих на высоких частотах, имеющих большие коэффициенты усиления, малые собственные шумы, хорошую линейность характеристик. Применяются электронные системы настройки с помощью варикапов и всевозможные устройства подавления помех. Выпускается широкая номенклатура специализированных интегральных микросхем и больших интегральных микросхем (БИС, на которых выполняются любые блоки радиоприемного устройства и даже практически весь тракт приемника. Бытовой радиоприемник должен иметь хорошие эргономические характеристики и удовлетворять требованиям художественной эстетики. 1.5. Приемники телевизионного вещания В настоящее время практически во всех странах приняты совместимые системы телевизионного вещания, позволяющие вести прием как черно- белых, таки цветных программ на один телевизор. При учебном проектировании рекомендуется руководствоваться отечественным стандартом телевидения SECAM D/K. Для эфирного телевизионного вещания используются следующие поддиапазоны частот I поддиапазон 48,5…66,0 МГц (каналы 1 и 2); II поддиапазон 76…100 МГц (каналы 3 ─ 5); III поддиапазон 174…230 МГц (каналы 6 ─ 12); IV поддиапазон 470…790 МГц (каналы 21 ─ 60). Возможно использование дополнительных каналов в диапазоне частот до 1000 МГц. На один телевизионный канал отводится полоса частот, равная 8 МГц. Большинство телевизионных каналов расположено вплотную друг к другу, без запасных частотных промежутков на расфильтровку (кроме каналов 1 - 2, 2 - 3 и 5 - 6). Это определяет жесткие требования к избирательности телевизионных приемников по соседнему каналу. В каждом телевизионном канале разность между несущими частотами сигналов изображения и звукового сопровождения определяется стандартом вещания ив стандартах D/K составляет 6,5 МГц. Промежуточная частота сигналов изображения выбирается равной 38 МГц, сигналов звукового 14 сопровождения ─ 31,5 МГц. Вторая промежуточная частота сигналов звукового сопровождения составляет 6,5 МГц. Передача сигналов изображения осуществляется с помощью АМ несущей сигналов изображения с частичным подавлением нижней боковой полосы частот. Передача сигналов звука осуществляется с помощью ЧМ несущей сигналов звукового сопровождения с максимальной девиацией частоты 50 кГц. В первых каскадах телевизионного приемника сигналы изображения и звука обрабатываются совместно. Их разделение происходит на выходе блока промежуточных частот. Технические показатели телевизионного приемника зависят оттого, к какому классу он относится. Так, телевизоры II класса должны иметь следующие основные показатели чувствительность тракта изображения, ограниченная шумами, не хуже 150 и 500 мкВ в диапазонах МВ и ДМВ соответственно чувствительность, ограниченная синхронизацией разверток, соответственно 80 и 150 мкВ чувствительность канала звука, ограниченная шумами, не хуже 75 и 300 мкВ избирательность не менее 38 дБ на частотах, отстоящих от несущей изображения в полосе от 1,5 МГц до 3 МГц, не менее 40 дБ в полосе от 8 до 9,5 МГц ив пределах 14…26 дБ в точке 6,5 МГц. избирательность по промежуточной частоте 50…60 дБ избирательность по зеркальному каналу 30…45 дБ коэффициент шума порядка 9…12 дБ. Телевизор обычно имеет отдельные входы для антенн метрового и дециметрового диапазонов, однако может иметь и общий вход. Далее следует селектор каналов (тюнер, в котором осуществляется выбор необходимой программы, а также обеспечиваются требуемые чувствительность и избирательность по побочным каналам приема (рис. 2). В селекторе каналов сигналы изображения и звукового сопровождения преобразуются на промежуточные частоты. С выхода селектора каналов сигнал поступает в блок промежуточных частот, который обеспечивает необходимое усиление и избирательность по соседним каналам приема. Требуемая форма амплитудно-частотной характеристики обеспечивается фильтром сосредоточенной селекции. В радиоканале применяются схемы ключевой автоматической регулировки усиления и автоматической 15 подстройки частоты гетеродина. Далее сигнал поступает на видеодетектор, в котором сигнал изображения преобразуется в видеосигнала сигнал звукового сопровождения преобразуется на вторую промежуточную частоту. С выхода видеодетектора сигналы изображения и звука разделяются. Сигналы изображения поступают в видеоканала сигналы звукового сопровождения проходят через усилитель второй промежуточной частоты 6,5 МГц и амплитудный ограничитель, после чего детектируются частотным детектором и усиливаются в усилителе звуковых частот. В современных схемах разделение сигналов изображения и звука производят до видеодетектора. С одного из каскадов общего усилителя промежуточных частот телевизионный сигнал подается на диодный Рис. Структурная схема радиоканала телевизионного приемника СК ─ селектор каналов, УПЧИ ─ усилитель промежуточной частоты сигналов изображения (и первой промежуточной частоты сигналов звукового сопровождения, ВД ─ видеодетектор, РФ ─ режекторный фильтр, ПФ ─ полосовой фильтр, УПЧЗ ─ усилитель второй промежуточной частоты сигналов звукового сопровождения, ЧД ─ частотный детектор, УНЧ ─ усилитель нижних (звуковых) частот, АПЧГ ─ автоматическая подстройка частоты гетеродина, АРУ ─ автоматическая регулировка усиления. Настройка на станцию СК УПЧИ ВД РФ АРУ ПФ ЧД АПЧГ УПЧЗ УНЧ Выход звука Выход изображения 16 преобразователь частоты, нагрузкой которого является полосовой фильтр. Этот фильтр настраивается на вторую промежуточную частоту звукового сопровождения 6,5 МГц и имеет полосу пропускания порядка 250…300 кГц. В качестве напряжения гетеродина используется несущая сигнала изображения. Выделенный фильтром сигнал поступает в усилитель промежуточной частоты звукового сопровождения. В канале изображения ненужный сигнал частоты 6,5 МГц подавляется режекторным фильтром, устанавливаемым после видеодетектора. Современная тенденция заключается в том, что обработка сигнала осуществляется в цифровом виде и значительная часть функциональных узлов, относящихся к обработке сигналов невысокого уровня (малосигнальные цепи, объединяется в две или три специализированные интегральные микросхемы. Вопросы формирования и синхронизации разверток, как и вопросы построения видеотракта, являются предметом отдельного рассмотрения и при учебном проектировании радиоприемного устройства не затрагиваются. В ближайшие 10 - 12 лет в России должен произойти полный переход на цифровое телевещание. Выбран стандарт цифрового телевидения ─ им станет европейская система DVB (кроме нее в мире используются также американская ATSC и японская ISDB). При этом произойдет полная модернизация студийного и передающего оборудования, а также замена всех бытовых телевизоров в стране цифровыми моделями. 1.6. Магистральные приемные устройства Под магистральной связью понимают прямую (без ретрансляций) одностороннюю или двустороннюю дальнюю связь между отдельными корреспондентами. Наиболее характерными особенностями магистральных линий связи является их большая протяженность (до десятков тысяч километров, высокие требования к достоверности передачи информации и достаточно большой ее объем. Для магистральной связи используется диапазон частот от 3 до 30 МГц. Применяются различные виды модуляции, обеспечивающие телефонный или телеграфный режим работы. Из многочисленных применяемых режимов назовем следующие А − телеграфия при амплитудной манипуляции, А − телефония при амплитудной модуляции, F1 − телеграфия при частотной (или фазовой) манипуляции, F3 − телефония при частотной модуляции. Кроме 17 упомянутых выше двухполосных сигналов, широко применяются однополосные, в том числе с ослабленной или подавленной несущей. При излучениях типов A1, A3, F1, F3 используют слуховой прием сигналов на одну или две пары телефонов, а также на громкоговоритель. Телеграфные сигналы часто регистрируются непосредственно на телеграфный аппарат. Выделяют три основных класса магистральных радиоприемных устройств. К первому классу относятся адаптивные приемники, реализующие предельно достижимые на данном уровне развития радиотехники параметры. Они могут иметь большие габариты, высокую стоимость, потреблять значительную мощность от источников питания, обслуживаться достаточно квалифицированным персоналом. Ко второму классу относятся приемники сплавной или дискретной установкой частоты, имеющие нестабильность частоты приема не более и высокие, ноне предельные электрические показатели. Третий класс ─ это приемники сплавной установкой частоты (с нестабильностью порядка 5·10 4 ), имеющие только слуховые виды работы, местное (ручное или автоматическое) управление, обладающие высокой надежностью и экономичностью, малыми габаритами и весом. Допускается незначительное ухудшение второстепенных электрических параметров по сравнению со вторым классом. Пороговая чувствительность приемников в единицах кТ 0 (коэффициент шума) составляет 7…13 дБ (5…20). Ослабление побочных каналов приема достигает 80…120 дБ. Двухсигнальная избирательность нормируется на уровне 60…100 дБ. Для расширения динамического диапазона используются ручная и автоматическая регулировки усиления, имеющие глубину регулировки соответственно 55…80 (ручная) и 55…115 (автоматическая) децибел. В главном тракте приема используется двукратное или трехкратное преобразование частоты, что позволяет реализовать высокую селективность как по соседнему, таки по зеркальному каналам приема. Первая промежуточная частота выбирается выше наибольшей частоты рабочего диапазона (35…50 МГц. В результате зеркальный канал оказывается далеко за пределами настройки приемника и достигается значительное ( до 100 дБ) ослабление зеркальных помех. Основная селекция осуществляется уже в тракте первой промежуточной частоты приемника за счет применения 18 кварцевых либо монолитных фильтров сосредоточенной селекции. При выборе второй промежуточной частоты руководствуются соображениями обеспечения избирательности по соседнему и второму зеркальному каналам приема, а также согласования ширины спектра сигнала и полосы пропускания УПЧ. Значения второй промежуточной частоты в профессиональных приемниках варьируется от 0,2 до 1,6 МГц. Перекрытие диапазона частот обеспечивается перестройкой одного первого) гетеродина, при этом промежуточные частоты являются фиксированными. Однако возможны варианты с изменением частоты двух и более гетеродинов, а также с переменным значением первой промежуточной частоты. Типовая структурная схема профессионального приемника коротковолнового диапазона приведена на рис. 3. Сигнал от антенны проходит через фильтр Z1 входной цепи, аттенюатор R и усилитель А, после чего поступает на первый смеситель V1. Фильтр Z1 обычно представляет собой неперестраиваемую систему контуров, с помощью которой осуществляется предварительная селекция сигналов в пределах выбранного диапазона волн. Полоса пропускания фильтра равна ширине поддиапазона. При смене поддиапазона меняется фильтр. Высокочастотный аттенюатор R может иметь ручное или автоматическое управление. Его целесообразно выполнить на p-i-n диодах, имеющих очень малое сопротивление в открытом состоянии. Благодаря этому для слабых сигналов коэффициент передачи аттенюатора имеет значение близкое к единице. Усилитель А должен удовлетворять требованиям высокой линейности и малого коэффициента шума. В рассматриваемой схеме это широкополосный неперестраиваемый усилитель. Первое преобразование частоты осуществляется вверх. Ориентируясь на международную регламентацию диапазона КВ (5…30 МГц, значение первой промежуточной частоты выбирают выше 30 МГц. Генератор плавного диапазона G1 обеспечивает настройку приемника на частоту сигнала выбранной станции. Первая промежуточная частота выделяется фильтром Z2. Далее сигнал поступает на вход усилителя А, нагрузкой которого является второй преобразователь частоты V2. 19 Вторая промежуточная частота выбирается достаточно низкой. На ней происходит основное усиление сигнала. Второй гетеродин G2 ─ неперестраиваемый и высокостабильный. Его частота выбирается в соответствии со стандартом на частоты современного ряда кварцевых резонаторов. Сигнал второй промежуточной частоты выделяется фильтром Z3 и усиливается резонансным усилителем А, после чего поступает на вход детектора V3. Низкочастотный сигнал с выхода детектора усиливается усилителем низких частот А, нагрузкой которого является динамик. ГАД АРУ G1 R Z1 A1 V1 Z2 55,5 МГц ГАДА АРУ V3 A3 Z3 V2 A2 G2 54 МГц Рис. Структурная схема профессионального коротковолнового приемника 20 Радиоприемник снабжен двухпетлевой системой автоматической регулировки усиления. Цепь АРУ состоит из детектора АРУ AD-1 и фильтра низких частот. Эта цепь обеспечивает линейность работы усилителей Аи А прирезком возрастании уровня сигналов в антенне. Она является защитой не только от перегрузки каскадов приемника полезным сигналом высокого уровня, но и от интермодуляционных искажений, вызываемых одновременным действием мощных внеполосных помех. С этой целью управляющее напряжение в цепь АРУ снимается до полосового фильтрате. до проведения основной фильтрации. В случае помехи высокого уровня коэффициент передачи аттенюатора R уменьшается, что предотвращает появление перекрестной модуляции или интермодуляционной помехи. В цепь АРУ входят детектор АРУ AD-2 и фильтр низких частот. Эта цепь предотвращает перегрузку усилителя низких частот А в случае резкого возрастания уровня полезного сигнала. В этом случае действие АРУ сводится к уменьшению усиления УПЧ-2 Аи обеспечению линейности его работы. Чувствительность, динамический диапазон и линейность тракта приема во многом зависят от правильности распределения усиления по каскадам. В процессе проектирования приходится принимать компромиссное решение, удовлетворяющее в той или иной мере требованиям как по чувствительности, таки по линейности тракта. Увеличение усиления в первых каскадах приемника приводит к увеличению чувствительности, но может привести к уменьшению динамического диапазона. Уменьшение усиления, наоборот, позволяет расширить динамический диапазон, но приводит к снижению чувствительности. В КВ-приемниках с преобразованием частоты вверх из входных цепей и усилителя радиочастоты обычно исключают малоэффективные перестраиваемые резонансные системы типа одиночных колебательных контуров, заменяя их широкополосными неперестраиваемыми системами. Схема и реальная амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра во входной цепи инфрадинного коротковолнового приемника приведены на рис. 4. Селективность по зеркальному каналу и по каналу прямого прохождения без труда обеспечивается в инфрадинных приемниках также с помощью фильтра низких частот. Последовательно с ФНЧ включают фильтр верхних 21 частот с частотой среза 1,5 МГц для ослабления помех от станций, работающих в диапазонах километровых и гектометровых волн. Рис. 4. Схема и реальная АЧХ полосового фильтра во входной цепи инфрадинного КВ - приемника Для получения широкополосного усиления в качестве нагрузки в усилителях радиочастоты используют широкополосные трансформаторные линии ─ ШПТЛ. Пример такой схемы и типичная амплитудно-частотная характеристика приведены на рис. 5. Широкополосная трансформаторная линия Три линейная отрицательная обратная связь (С, R1) позволяют получить высокую линейность в широкой полосе частот. Выход Вход L1 C1 C2 L2 C3 C4 C5 L3 Рис. 5. Схема и АЧХ широкополосного УРЧ с использованием ШПТЛ Выход Вход C1 C2 C3 C4 C5 C6 R1 R2 R3 R4 R5 R6 Тр-1 VT 1 + К f, МГц 0 50 30 К 25 22 Преобразователи частоты оказывают существенное влияние на линейность и коэффициент шума приемника. В зависимости от типа смесительного элемента различают преобразователи на биполярных транзисторах, полевых транзисторах и на диодах. В первых преобразователях частоты чаще используют полевые транзисторы с квадратичными вольт- амперными характеристиками или диодные смесители. С целью уменьшения интермодуляционных искажений применяют балансные и двойные балансные схемы. Режим работы смесителя устанавливается так, чтобы обеспечить высокую линейность и малые собственные шумы. На рис. 6 представлена схема кольцевого балансного смесителя, собранного на диодах Шоттки. Смеситель обеспечивает высокую линейность и малые шумы преобразования. На входе и выходе смесителя применены широкополосные высокочастотные трансформаторы ШПТЛ. Напряжение гетеродина обеспечивает перестройку приемника в пределах выбранного поддиапазона. Напряжение промежуточной частоты с трансформатора Тр-1 подается на вход диплексора, реализованного по Г-образной схеме. Характеристика диплексора обеспечивает прохождение сигнала промежуточной частоты 55,5 МГц без затухания и фильтрацию всех побочных колебаний. Выход Вход C1 Тр-1 Тр-2 Состав ИМ С VD1 VD2 VD4 VD3 Напряжение от кварцованного гетеродина R1 L1 L2 б С Рис. 6. Принципиальная схема смесителя на диодах Шоттки с диплексором 23 Входное сопротивление кольцевых смесителей на диодах Шоттки невелико ─ порядка 50 Ом. Поэтому при подключении таких смесителей к узкополосным избирательным системам требуются согласующие цепи. К усилителю первой промежуточной частоты предъявляются высокие требования по линейности. В качестве усилительных приборов выбирают малошумящие биполярные или полевые транзисторы. Принимаются меры по обеспечению высокой температурной стабильности режима каскадов. Усиление первой промежуточной частоты обычно составляет около 20 дБ. Частотная селекция обеспечивается применением кварцевых фильтров, фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ, электромеханических фильтров или фильтров на керамической основе. Ко второму смесителю предъявляют, как и к первому, высокие требования по линейности, но менее жесткие требования по шумам. Кроме полевых транзисторов и диодов используют схемы аналоговых перемножителей (К525ПС1, К525ПС2, К140МА1, К526ПС1). Второй усилитель промежуточной частоты УПЧ-2 должен обеспечить основное усиление в главном тракте приемника, а также достаточно глубокую регулировку усиления. Его усиление меняется системой АРУ от нескольких тысяч до нескольких десятков. Регулировка усиления не должна ухудшать линейности тракта. Для усиления могут использоваться дискретные элементы или интегральные микросхемы. Возможно использование нескольких идентичных каскадов. С выхода УПЧ-2 сигнал подается на вход детектора. Современные тенденции развития техники приема состоят в том, что в магистральные приемники вводятся различного рода ручные и автоматические регулировки отдельных параметров усиления, избирательности, частоты настройки) или даже предусматриваются автоматические изменения его общей структуры и алгоритма работы в зависимости от непрерывно меняющихся условий связи. Это позволяет обеспечить близкий к оптимальному прием при достаточно быстрых изменениях характеристик сигналов и помех. Специальная аппаратура автоматического контроля позволяет по заранее введенной программе производить как оценку работоспособности приемника, таки оценку качества принимаемого сигнала. Все эти меры значительно увеличивают надежность приема сообщения. 24 1.7. Радиолокационные приемники Радиолокационный приемник является частью радиолокационной станции (РЛС) и работает от общей с передатчиком приемопередающей антенны. Различают РЛС непрерывного и импульсного излучения. Обработка сигнала в приемнике предусматривает обнаружение сигнала, отраженного от цели, и (или) определение его параметров. Функции обнаружения сигнала и измерения его параметров могут быть расчленены. Оптимальный приемник простого импульсного сигнала (с базой порядка единицы) состоит из двух частей широкополосной линейной части и оптимального обнаружителя или измерителя. В широкополосном линейном тракте производится усиление сигнала до уровня, необходимого для нормальной работы обнаружителя или измерителя, а также предварительная фильтрация сигнала. На первом этапе приемное устройство РЛС работает в режиме обнаружения сигнала. На втором решается задача измерения его параметров. Мы ограничимся задачей обнаружения. Математически задача обнаружения сигнала на фоне флуктуационной помехи сводится к вычислению корреляционного интеграла и его сравнения с заданным порогом обнаружения. Для сигнала u(t), форма которого считается известной, формируется опорный сигнал u 0 (t), отличающийся от него только произвольным фазовым сдвигом и уровнем. Корреляционным интегралом называют результат интегрирования их произведения dt t t u t u z t t ) , ( ) ( 2 1 з 0 При φ = 0 из корреляционный интеграл принимает наибольшее значение и обеспечивается наивысшее достижимое отношение сигнал/шум. Это обеспечивает наилучшие характеристики обнаружения. Устройства, вычисляющие корреляционный интеграл, могут быть двух типов. Используется либо коррелятор, либо согласованный фильтр. Их схемы приведены на рис. 7. Эти схемы применяются при когерентной обработке сигнала. В случае использования коррелятора опорный сигнал должен совпадать по фазе с принимаемым, интегрирование должно начинаться в момент прихода ожидаемого сигнала и заканчиваться в момент его окончания. В случае применения согласованного фильтра момент замыкания ключа должен совпадать с моментом окончания ожидаемого сигнала с точностью не хуже одной десятой доли периода несущей 25 частоты импульса на входе фильтра. Указанные условия реализовать на практике достаточно сложно, поэтому обычно используются методы некогерентной обработки. Структуры некогерентных приемников обнаружения одиночного радиоимпульса приведены на рис. в Рис. Оптимальные некогерентные приемники обнаружения а - фильтровая б - корреляционно-фильтровая; в - квадратурная схемы u(t) u 0 (t) t = t 1, t 2 Z ∫ Фа б Рис. Устройства, вычисляющие корреляционный интеграла- коррелятор б - согласованный фильтр СУПУ |