Устройства приема и обработки сигналов

Размещено на http: //www. allbest. ru/

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВАКАИ

Конспект лекций

для студентов 4 курса дневного отделения специальности 210401.65 «Физика и техника оптической связи»

Устройства приема и обработки сигналов

Казань 2012

ВВЕДЕНИЕ

Во всех классах радиосистем радиоприемные устройства являются одной из наиболее важных составных частей каждой конкретной системы. При этом следует отметить, что качественные показатели приемных устройств во многом определяют характеристики радиосистем в целом. В ряде случаев потеря информации за счет несовершенства радиоприемного устройства не может быть восполнена за счет вторичной обработки принимаемых сигналов.

Радиоприемным устройством называется совокупность элементов, необходимых для того, чтобы могло быть должным образом воспроизведено сообщение, заключающееся в приходящем в место приема высокочастотных сигналов передатчика.

В наиболее распространенных случаях радиоприемное устройство содержит три основных элемента: антенну, радиоприемник и воспроизводящее устройство. Следовательно, радиоприемное устройство должно выполнять следующие операции:

-- преобразование электромагнитного поля сигнала (помехи) в электрический сигнал и обеспечение пространственной и поляризационной избирательности полезного сигнала с помощью приемной антенны;

-- усиление принимаемого сигнала с целью обеспечения качественной работы демодулятора, декодера, схем защиты приемника от помех, решающего и исполнительного устройства;

-- демодуляция принятого сигнала с целью выделения информации (модулирующей функции), содержащейся в полезном сигнале;

-- обработка принимаемых сигналов с целью ослабления мешающего воздействия помех искусственного и естественного происхождения.

Таким образом, структурная схема приемного устройства может быть представлена в следующем виде (рис. 1).



Рис. 1

приемник нелинейный каскад радиочастота

Теория и техника антенн развились в самостоятельную область радиотехники и составляют в настоящее время содержание отдельного курса. Теория и расчет воспроизводящего устройства излагаются в книгах

по телевидению, электроакустике, при описании систем обработки сигналов и т.п.

Поэтому в данном курсе подробно рассматриваются радиоприемники и их взаимодействие с другими элементами радиоприемного устройства. В силу сказанного в дальнейшем под радиоприемным устройством мы будем понимать собственно радиоприемник.

Как видно из представленной структурной схемы приемник состоит из радиочастотного тракта, детектора и последетекторной части. Радиочастотная часть приемника обеспечивает необходимую частотную избирательность, усиление и преобразование сигнала (перенос его на промежуточную частоту).

Детектор является устройством, создающем на своем выходе напряжение, которое изменяется в соответствии с законом модуляции того или иного параметра радиочастотного колебания, т.е. воссоздает переданный сигнал.

В последетекторной части приемника обеспечивается предварительное усиление продетектированного сигнала и осуществляется необходимая развязка между цепями детектора и оконечного устройства.

I. КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

Классификация радиоприемных устройств может быть произведена по любому признаку. Так приемные устройства отличаются по назначению, видом принимаемого сигнала, по месту установки и т.п. Ниже приведем наиболее важные примеры классификации приемных устройств.

1. По назначению радиоприемные устройства делятся на:

профессиональные (приемники радиосвязи, радиоуправления, радионавигации, радиотелеметрии);

бытовые (для приема программ звукового и телевизионного вещания).

В зависимости от места установки профессиональные приемники различают:

стационарные;

бортовые (судовые, самолетные, спутниковые).

Бытовые приемники в зависимости от сложности и качества делятся на классы (I IV) и могут быть переносными, автомобильными и т.д.

2. По виду принимаемых сигналов различают приемники:

а) непрерывных сигналов (различают по виду модуляции АМ, ЧМ, ФМ, приемники однополосных сигналов);

б) дискретных сигналов.

Приемники дискретных сигналов в свою очередь делятся на:

приемники импульсной модуляции (импульснокодовая модуляция, дельта модуляция и т.д.);

приемники телеграфии (и зависимости от вида манипуляции сигнала подразделяются приемники амплитудного, частотного и фазоразностного манипулирования).

3. По диапазону частот различают приемники:

НЧ (низких частот) (30ЗООкГц);

СЧ (средних частот) (300ЗОООкГц);

ВЧ (высоких частот) (3ЗОМГц);

ОВЧ (особо высоких частот) (30ЗООМГц);

УВЧ (ультравысоких частот) (300ЗОООМГц);

СВЧ (сверхвысоких частот) (3ЗОГГц).

4. По схеме построения тракта усиления сигналов до детектора:

приемники прямого усиления;

супергетеродинные приемники с однократным, двукратным и многократным преобразованием частоты.

Классификацию приемных устройств можно продолжить и по другим характерным параметрам способу питания, конструктивному выполнению и т.д.

Структурные схемы радиотрактов приемников

Выше было указано, что радиотракта приемников обеспечивают усиление сигналов и их частотную фильтрацию от помех. Для усиления сигналов применяются усилительные устройства различного назначения, а для фильтрации используются частотноизбирательные цепи.

В зависимости от структуры радиотракта различают следующие типы приемников:

приемники прямого усиления;

супергетеродинные приемники.

Приемники прямого усиления

Структурная схема такого приемника может быть представлена следующим образом рис. 2.

Рис.2

В состав приемника прямого усиления входят:

входная цепь, обеспечивающая связь антеннофидерной системы с первым каскадом приемника;

усилитель радиочастоты, обеспечивающий необходимое усиление на радиочастоте и частотную избирательность приемного устройства;

амплитудный детектор;

усилитель звуковой (видео) частоты. Как правило, этот усилитель обеспечивает основное усиление сигналов.

В том случае, когда в схеме отсутствует усилитель радиочастоты, такой приемник называется детекторным приемником.

Следует отметить, что приемники прямого усиления обладают малой чувствительность в силу того, что при малых сигналах амплитудный детектор обладает малым коэффициентом передачи по мощности, что приводит к возрастанию коэффициента шума приемного устройства.

К недостаткам приемников прямого усиления следует отнести:

изменение основных параметров радиотракта при перестройке по диапазону, в первую очередь изменяется полоса пропускания радиоприемного тракта. Действительно, полоса пропускания приемника определяется по формуле

,

где частота настройки колебательного контура, коэффициент затухания колебательного контура (этот показатель слабо зависит от частоты настройки колебательного контура). Как следует из представленной формулы, с увеличением частоты настройки будет увеличиваться и полоса пропускания.

если в радиотракте необходимо перестраивать одновременно несколько контуров, то появляются дополнительные трудности, связанные с системой настройки, если требуется получить хорошую избирательность по соседнему каналу;

трудность получения большого коэффициента усиления на радиочастоте, обычно коэффициент усиления на радиочастоте не превышает 100. Для этих целей применяются усилители радиочастоты двух типов: регенеративного типа и сверхрегенеративного типа. Усилитель регенеративного типа позволяет получить большой коэффициент усиления при малом числе активных элементов, но отличается большой нестабильностью коэффициента усиления. Сверхрегенеративные усилители более устойчивы к внешним условиям, но обладают большим коэффициентом шума.

на высоких частотах трудно обеспечить высокую избирательность по соседнему каналу при перестройке по частоте в широких пределах.

Приемники прямого усиления в настоящее время применяются в основном как индикаторы электромагнитного поля.

Супергетеродинные приемники

Для устранения недостатков приемников прямого усиления была предложена схема приемника с преобразователем частоты. При этом основное усиление сигнала осуществлялось на промежуточной частоте. Усилитель промежуточной частоты обеспечивает высокую избирательность по соседнему каналу. Перестройка по диапазону осуществляется за счет простых систем перестройки частоты гетеродина и частоты настройки входной цепи. В этом случае частотноизбирательные цепи, включенные до преобразователя частоты, осуществляют избирательность по зеркальному каналу.

Структурная схема супергетеродинного приемника представлена на рисунке. В самом общем виде супергетеродинный приемник состоит из входного устройства, усилителя радиочастоты, преобразователя, усилителя промежуточной частоты, детектора и усилителя звуковой (видео) частоты.

Достоинства:

улучшается избирательность по соседнему каналу;

упрощается перестройка частоты приемника;

при перестройке не изменяются основные характеристики приемника;



Рис. 3

высокая чувствительность супергетеродинных приемников обусловлена высоким коэффициентом передачи амплитудного детектора, связанная с тем, что амплитудный детектор работает в режиме детектирования сильных сигналов.

К недостаткам гетеродинных приемников следует отнести наличие побочных каналов приема.

К побочным каналам приема следует отнести:

зеркальный канал приема на частоте, отстоящий от основного канала приема на удвоенную промежуточную частоту. Если для основного канала, то для зеркального.

комбинационные каналы приема, обусловленные гармониками частоты гетеродина и сигнала. Они образуются при смешении гармоник сигнала и гетеродина в соответствии с формулой, где и - любые целые числа. Интенсивность помех по этим каналам уменьшается с ростом номеров и .

интермодуляционные каналы, связанные с взаимодействием двух или нескольких мешающих станций или источников помех;

канал прямого прохождения сигнала на промежуточной частоте. Если помеха имеет частоту, то воздействуя на ПЧ, она проходит без преобразования частоты в канал УПЧ, образуя тем самым канал прямого прохождения сигнала.

На рисунке схематично представлены каналы приема при преобразовании частоты.

Для устранения приема на побочных каналах необходимо применять дополнительные меры. Необходимое подавление зеркального канала осуществляется частотноизбирательными цепями, установленными до преобразователя частоты. Селективность приемника по зеркальному каналу обеспечивает преселектор. Степень подавления зеркального канала характеризует избирательность по зеркальному каналу. Для повышения избирательности по зеркальному каналу либо повышают добротность колебательных систем на входе приемника, либо увеличивают промежуточную частоту.

Рис. 4

Комбинационные каналы приема устраняются за счет оптимального выбора режима работы гетеродина, при котором обеспечивается малый уровень гармоник и повышение линейности первых каскадов приемника.

Для устранения приема на промежуточной частоте во входных цепях устанавливаются фильтрыпробки, настроенные на промежуточную частоту.

Супергетеродинные приемники являются основным типом приемников в радиодиапазоне.

II. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОПРИЕМНИКОВ

2.1 Чувствительность

Под чувствительностью понимается способность приемника принимать слабые сигналы. Чувствительность определяется минимально необходимой мощностью или ЭДС сигнала в антенне (либо в ее эквиваленте), при которых обеспечивается нормальное функционирование исполнительного (оконечного) устройства при заданном отношении мощности сигнала к мощности собственных шумов на выходе приемника.

Если отношение сигнал/шум на выходе приемного устройства равно 1, то минимальный сигнал на входе определяет пороговую чувствительность приемника. Если отношение сигнал/шум на выходе приемного устройства не равно I, то говорят о реальной чувствительности.

Такое определение справедливо в тех случаях, когда внешними радиопомехами радиоприему можно пренебречь. При необходимости учета внешней помеховой обстановки вводится понятие эффективной чувствительности по отношению к уровню помех как внутренних, так и внешних.

Эффективная чувствительность это способность радиоприёмного устройства принимать слабые сигналы с заданным качеством (например, отношение сигнал/шум, вероятность правильного приема импульсных сигналов, минимизация ложной тревоги и т.д.) в условиях воздействия всего комплекса помех.

2.2 Избирательность

Под избирательностью понимается способность радиоприемного устройства выделять полезный сигнал и ослаблять действие мешающих сигналов (помех). При этом различают следующие виды избирательности:

частотная избирательность;

временная избирательность;

пространственная избирательность;

поляризационная избирательность.

Частотная избирательность реализуется с помощью резонансных цепей и фильтров и характеризуется нормированной амплитудночастотной характеристикой трактов радио и промежуточной частоты

Избирательность на заданной частоте определяет степень подавления сигнала на этой частоте и обычно выражается в дб:

Задаваясь требуемым значением частоты f, мы можем определить, избирательность по соседнему и зеркальному каналу. В первом случае учитывается амплитудночастотная характеристика усилителя промежуточной частоты, во втором случае амплитудночастотная характеристика радио цепей, установленных до преобразователя частоты сигнала.

При определении избирательности по соседнему каналу частота f выбирается равной частоте соседнего канала. Обычно по соседнему каналу обеспечивается избирательность порядка 40 - 60 дб.

2.3 Динамический диапазон

Под динамическим диапазоном понимается отношение граничных уровней входного сигнала, при котором обеспечивается нормальное качество приема. Минимальный уровень сигнала при этом обычно определяется уровнем собственных шумов (пороговой или реальной чувствительностью), максимальный ограничен допустимыми нелинейными искажениями сигнала. Обычно динамический диапазон определяется в дб (но может определятся и в разах):

2.4 Помехоустойчивость

Под помехоустойчивостью понимается способность приемника обеспечивать прием переданной или извлеченной информации с заданной достоверностью при заданных видах помех.

Повышение помехоустойчивости достигается всеми видами избирательности, а также созданием оптимальных (квазиоптимальных) структур приемников и специальные методы борьбы с помехами.

5. Диапазон рабочих частот.

Это область частот настройки, в пределах которой обеспечиваются все другие электрические характеристики приемника.

6. Полоса пропускания приемного устройства.

7. Мощность или амплитуда входного сигнала.

8. Допустимые искажения воспроизводимого сигнала.

9. Параметры ручных и автоматических регулировок усиления, систем автоматической подстройки частоты.

ЙЙЙ. ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОПРИЕМНИКОВ

Во всяком проводнике имеются свободные электроны, которые находятся в состоянии беспорядочного теплового движения подобно молекулам газа. В среднем достаточно большой промежуток времени распределение электронов по объему проводника можно считать равномерным. Однако вследствие беспорядочного теплового движения равномерность распределения электронов в отдельные моменты времени нарушается. При этом между концами проводника возникает ЭДС флуктуационного шума, которая беспорядочно изменяется во времени.

Теория флуктуаций показывает, что всякому комплексному сопротивлению

Z=R+jX

соответствует ЭДС флуктуационных шумов, эффективное значение которой Е определяется выражением

Размещено на http: //www. allbest. ru/

где k постоянная Больцмана (1,38?1023 Дж/град);

Т абсолютная температура сопротивления;

R - активная составляющая сопротивления Z;

y( f ) уравнение резонансной кривой цепи, которая соединяет сопротивление с прибором, измеряющим шум.

В большинстве случаев можно считать, что сопротивление R постоянно в широкой полосе частот, поэтому выражение можно представить в следующем виде



Размещено на http: //www. allbest. ru/

где В энергетическая (шумовая) полоса пропускания приемника.

Как определяется энергетическая полоса пропускания на основании

амплитудночастотной характеристики резонансной цепи, видно из рисунка 3.1. Для этого на основании амплитудночастотной характеристики строится зависимость y2(f). Затем определяется площадь под этой кривой и строится прямоугольник в этой системе координат, площадь которою равна площади под кривой

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис. 5

y2(f). Основание этого прямоугольника равно энергетической полосе данной цепи. Величина В обычно больше или равна полосе пропускания резонансной цепи на уровне 0,707. Чем ближе амплитудночастотная характеристика к прямоугольной, тем лучше выполняется условие, что . Для одиночного колебательного контура справедливо равенство .

Реактивное сопротивление X в рассматриваемое сопротивление не входит, потому что оно обусловлено электрическими и магнитными полями, в которых отсутствуют флуктуации распределения электронов.

Обычно для расчетов принимают комнатную температуру Т = 300К. В этом случае ЭДС шумов определяется по простой формуле



Размещено на http: //www. allbest. ru/

где Е в мкВ, R в кОм, В в кГц.

Таким образом, шумящее сопротивление можно представить в виде следующей эквивалентной схемы:

Рис. 6

Для любой из этих схем можно определить номинальную мощность шумов. Под номинальной мощностью шумов понимается такая мощность, которая может быть отдана в согласованную нагрузку (R = Rн). Номинальная мощность шумов шумящего сопротивления определяется по формуле

Как видно из полученного выражения номинальная мощность шумов не зависит от величины сопротивления.

Шумы колебательного контура

Источником шумов в колебательном контуре служит только активное сопротивление r, т.к. индуктивность L и емкость С не создают шумов. Электродвижущая сила Е, возникающая на сопротивлении r, действует в контуре последовательно.

За счет резонанса на контуре возникает напряжение, равное U=EQ, где Q добротность колебательного контура.

С учетом этого получим:

Размещено на http: //www. allbest. ru/

, (3.5)

где R0 - эквивалентное резонансное сопротивление контура.

Рис. 7

Следовательно, определяя величину шумов колебательного контура, можно считать, что шумит его эквивалентное сопротивление, а величина В определяется с учетом избирательных свойств самого контура.

Шумы антенны

Эквивалент антенны создает шумы, как всякое комплексное сопротивление и обладает номинальной мощностью шумов kTB, которую всегда рассчитывают для комнатной температуры.

Вопрос о шумах реальных антенн представляет значительные трудности, так как эти шумы зависят от термодинамического обмена между антенной и окружающей средой, а также от приема антенной внешних электромагнитных колебаний космического происхождения, спектр которых совпадает со спектром тепловых шумов.

Прием антенной помех со спектром иной природы, как, например, модулированных радиосигналов мешающих передатчиков, здесь не учитывается.

В общем случае ЭДС шумов антенны можно представить в виде

Размещено на http: //www. allbest. ru/

, (3.6)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

где полное активное сопротивление, равное сумме сопротивлений излучения и сопротивления потерь,

Размещено на http: //www. allbest. ru/

эффективная шумовая температура антенны.

Величина , часто бывает больше, чем фактическая температура антенны. Это показывает, что антенна создаст более сильные шумы, чем соответствующее активное сопротивление Ra. С учетом этого обстоятельства к антенне можно применять рассмотренные выше соотношения и эквивалентные схемы шумящего сопротивления.

Отношение эффективной шумовой температуры антенны Та к комнатной температуре Т = 300К называется относительной шумовой температурой антенны. Используя эту величину, номинальную мощность шумов антенны можно представить в виде

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Таким образом, относительная шумовая температура показывает во сколько раз номинальная мощность шумов антенны превышает номинальную мощность шумов ее эквивалента, имеющего комнатную температуру.

Относительная шумовая температура антенны зависит от частоты настройки приемника и от ориентации направленной антенны. В диапазоне метровых волн направленные антенны, "нацеленные" на наиболее интенсивные очаги космического излучения, могут иметь, величину ta порядка нескольких десятков. Напротив, в наиболее благоприятных случаях ta бывает значительно меньше единицы.

Для частот 30120 МГц среднее по всем возможным направлениям значение ta приближенно выражается эмпирической формулой

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.8)

Для наиболее высоких частот величина ta в расчетах обычно выбирается равной единице.

Шумы активных элементов

Шумовой ток на выходе активных элементов (ламп, транзисторов) состоит из трех составляющих: теплового, дробового и так называемого избыточного. Тепловые шумы возникают на активных проводимостях активных элементов. ЭДС этих шумов рассчитывается как было указано ранее для сопротивлений.

Дробовые шумы связаны с неоднородностью протекания токов в активных элементах. Для характеристики этих шумов обычно вводится сопротивление Rш как мера дробовых шумов активного элемента.

При этом мощность дробовых шумов можно определить как

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.9)

Реально в эквивалентной схеме этого сопротивления не существует. Введение понятия Rш позволяет нам унифицировать формулы представления шумов различной природы.

На высоких частотах в силу инерционности носителей заряда шумы активных элементов возрастают. В нижней области спектра имеются избыточные шумы, так называемые фликкершумы или шумы мерцания. Верхняя граница этих шумов не превышает десятков Гц и поэтому эти шумы в радиоприемных устройствах не играют существенного значения и ими обычно пренебрегают.

Эквивалентную схему шумящего активного 4полюсника можно представить как соединение нешумящего активного элемента, на входе которого включены генераторы теплового и дробового шумов.

Коэффициент шума

Реальные источники сигнала и усилители сигналов можно представить как шумящие, т.к. последние способны вносить шумовые компоненты и тем самым ухудшать отношение сигнал/шум на выходе усилительных устройств различного назначения.

Любую систему можно представить в виде следующей структурной схемы, состоящей из шумящего источника сигнала и шумящего 4полюсника.

Рис. 8

Шумящий 4полюсник обладает номинальными мощностями сигнала Рс и шума Рш. Изменение отношения сигнал шума по сравнению с отношением сигнал/шум на входе 4полюсника характеризует шумовые свойства шумящего 4полюсника.

Заметим, что в этом отношении фигурируют номинальные мощности, т.е. мощности, отдаваемые в согласованную нагрузку. При нарушении согласования мощности сигнала и шума изменяются по сравнению с номинальными, однако эти мощности изменяются одинаково и их отношение остается постоянным. Поэтому отношение номинальных мощностей сигнала и шума может служить для оценки источника не только на согласованную, но и на рассогласованную нагрузку. Следовательно, полученные результаты, справедливые для режима согласования можно распространить и на случай рассогласования. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривает лишь режимы согласования при оценки шумовых свойств шумящих 4полюсников.

Предположим, что на вход шумящего 4полюсника подается смесь сигнала и шума с выхода шумящего источника сигнала, при этом отношение сигнал/шум на выходе источника сигнала можно представить как. На выходе шумящего 4полюсника мощности сигнала и шума определяются шумовыми свойствами этой цепи.

Для характеристики шумовых свойств шумящего 4полюсника вводится коэффициент шума, который представляет собой отношение на входе к отношению сигнал/шум на выходе исследуемой цепи и может быть представлен как

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.10)

Таким образом, коэффициент шума показывает во сколько раз изменяется соотношение сигнал/шум при прохождении через шумящий 4полюсник.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

, (3.11)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

где коэффициент усиления по мощности шумящего 4полюсника.

Отсюда.

Шумы 4полюсника можно пересчитать ко входу, тогда величина является полной мощностью шумов источника и 4полюсника, пересчитанная ко входу последнего.

Тогда коэффициент шума есть отношение пересчитанной ко входу полной мощности шумов к величине мощности шумов источника и определяется по формуле

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.12)

Обычно считают, что у шумящего источника сигнала шумы создаются внутренним сопротивлением и равны. С учетом этого коэффициент шума можно представить как

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Представим номинальную выходную мощность шумов в виде суммы мощностей шума источника и собственных шумов 4полюсника

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.14)

Тогда коэффициент шума 4полюсника можно представить следующим образом'

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.15)

Очевидно, что в случае идеального нешумящего 4полюсника и . При наличии шумов величина коэффициента шума возрастает тем сильнее, чем больше шумит 4полюсник.

Выражение для собственных шумов 4полюсника можно представить



Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.16)

Таким образом, зная коэффициент шума 4полюсника можно определить его собственные шумы.

Использование коэффициента шума

Коэффициент шума можно применять не только к отдельным линейным каскадам, но и ко всему линейному высокочастотному тракту приемника. В высокочастотных трактах супергетеродинных приемников имеется преобразователь частоты, который является принципиально нелинейным элементом. Однако он изменяет мощности сигнала и шума так же, как и линейный усилительный элемент. Поэтому при расчете шумовых соотношений весь высокочастотный тракт приемника (до детектора) можно считать линейным.

Если для линейного высокочастотного тракта известен коэффициент шума Ш, то нетрудно определить его пороговую чувствительность. Номинальная мощность шумов на выходе линейного тракта может быть представлен в виде суммы номинальных мощностей усиленных шумов антенны и собственных шумов приемника

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.17)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Номинальная мощность шумов антенны равна, где ta относительная шумовая температура антенны, В энергетическая полоса пропускания рассматриваемого высокочастотного тракта.

Подставляя в последнее выражение значение собственных шумов высокочастотного тракта получим



Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.18)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Мощность сигнала на выходе рассматриваемого тракта приемника можно представит в виде

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.19)

При пороговой чувствительности па выходе приемного приемника необходимо обеспечить отношение сигнал/шум равное 1, следовательно, можно записать

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.20)

Если теперь мощность сигнала приведем ко входу, то определим пороговое значение мощности сигнала, которое и определяет пороговую чувствительность приемного устройства

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.21)

Зная пороговую чувствительность приемника, можно определить, и реальную чувствительность, если задаться требуемым отношением сигнал/шум на выходе

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.22)

Указанные формулы определяют пороговую и реальную чувствительность, выражая ее через номинальные мощности. При желании перейти к ЭДС необходимо пользоваться следующими формулами

Размещено на http: //www. allbest. ru/

, (3.23)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Следовательно, зная коэффициент шума 4полюспнка, относительную шумовую температуру антенны мы можем определить как пороговую, так и реальную чувствительность приемного устройства. Коэффициент шума каскадного соединения 4полюсника. Знание коэффициента шума позволяет нам не только определить пороговую или реальную чувствительность приемного устройства, но и позволяет выявить основные тенденции построения приемных устройств с целью достижения максимальной чувствительности приемного устройства. С этой целью рассмотрим каскадное соединение нескольких 4полюсников.

Рис. 9

Каскадное соединение двух 4полюсников можно представить в виде. Для каждого из указанных 4полюсников известны коэффициент шума, коэффициент усиления по мощности и энергетическая полоса пропускания. Значения этих показателей показаны на схеме для каждого из 4полюсников.

Нам необходимо определить основные параметры для 4полюсника, образованного каскадным соединением указанных 4полюсников.

Коэффициент усиления по мощности каскадного соединения двух 4полюсников определяется как



Размещено на http: //www. allbest. ru/

Что касается энергетической полосы пропускания указанной схемы, то первоначально необходимо определить результирующую амплитудночастотную характеристику объединенного 4полюсника за счет перемножения амплитудночастотных характеристик указанных 4полюсников, а затем по известной амплитудночастотной характеристики определить энергетическую полосу пропускания обобщенного 4полюсника.

Таким образом, определение двух указанных параметров не вызывает какихлибо сложностей.

Теперь остановимся на определении коэффициента шума обобщенного 4полюсника.

Мощность шумов на выходе второго 4полюсника можно представить следующим образом

Размещено на http: //www. allbest. ru/

, (3.24)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Размещено на http: //www. allbest. ru/

где,

С учетом этих выражений мощность шумов на выходе каскадного соединения двух 4полюсников можно представить

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Если известны обобщенные параметры 4полюсника (энергетическая полоса пропускания В, коэффициент усиления по мощности и коэффициент шума Ш), то можно определить мощность шумов на выходе следующим образом



Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.27)

Приравнивая выражение (3.26) к (3.27), получим

Размещено на http: //www. allbest. ru/

, (3.28)

откуда путем несложных преобразований получим

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.29)

Во многих случаях можно считать, что, и предыдущее выражение можно представить в упрощенном виде

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.30)

Из полученного выражения следует, что для уменьшения общего коэффициента шума Ш необходимо, чтобы первый 4полюсник обладал наименьшей величиной коэффициента шума и максимальным коэффициентом усиления по мощности. Чем больше коэффициент усиления первого каскада по мощности, тем меньше влияют шумы последующих каскадов.

Таким образом, при каскадном соединении необходимо стремиться к тому, чтобы коэффициент усиления по мощности был максимальным.

Иногда для получения большого коэффициента усиления применяют непосредственное соединение двух активных элементов. Такое соединение принято называть каскодным.

К каскодным схемам с минимальным коэффициентом шума следует отнести схему ОЭОБ. Каскодное соединение двух каскадов, у которого первый каскад выполнен по схеме каскада с общим эмиттером, а второй по схеме каскада с общей базой, обладает наименьшим коэффициентом шума среди всех видов каскадносоединенных усилителей. В этом случае каскад с общим эмиттером обеспечивает максимальное усиление по мощности, при этом коэффициент усиления по напряжению первого каскада близок к 1. Это связано с тем, что входное сопротивление каскада с общей базой равно 1/S, где S крутизна транзистора. Таким образом, первый каскад работает на малое входное сопротивление и его коэффициент усиления по напряжению может быть определен.

Влияние антенного фидера на общий коэффициент шума

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Часто радиоприемник размещается на значительном расстоянии от антенны и соединяется с ней посредством длинного фидера. Такой фидер может создавать заметные потери мощности сигнала и достаточно сильные собственные шумы, что неблагоприятно влияет на реальную чувствительность приемника. Поэтому желательно определить коэффициент шума Ш "фидер высокочастотная часть приемника".

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Пусть ко входу фидера присоединен эквивалент антенны, у которого номинальная мощность шумов, тогда выход фидера эквивалентен некоторому выходному сопротивлению, у которого номинальная мощность шума равна той же величине.

Таким образом, т.е. фидер создает такую же мощность собственных шумов, какую он поглощает от антенны.

Обозначим коэффициент изменения номинальной мощности сигнала при прохождении по фидеру как, тогда общий коэффициент шума фидера можно представить

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.31)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Если коэффициент шума высокочастотного тракта приемника обозначить Шв, то общий коэффициент шума системы фидер высокочастотный тракт

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.32)

Следовательно, общий коэффициент шума возрастает пропорционально потерям в фидере.

Общий коэффициент шума приемного устройства с учетом фидера можно представить в виде

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3.33)

Всегда следует стремиться к уменьшению потерь в фидере, т.е. к увеличению. Рассогласование на входе приемника с целью снижения коэффициента шума первого каскада приводит к появлению в фидере стоячих волн и к увеличению потерь в нем. Поэтому целесообразно использовать режим оптимального согласования.

С целью улучшения коэффициента шума приемного устройства первые каскады часто помещают непосредственно у антенны, а выход этих каскадов соединяются фидером с остальной частью приемника. С целью уменьшения потерь в фидере принимаемый сигнал передается на промежуточной частоте, в этом случае непосредственно у антенны располагаются усилитель высокой частоты, преобразователь, предварительный усилитель промежуточной частоты (ПУПЧ) и каскад, работающий на кабель. Структурная схема приемного устройства в этом случае имеет вид (рис. 3.6).

Основное усиление сигналов обеспечивается каскадами, установленными после фидера. При достаточной величине коэффициента усиления номинальной мощности каскадов, установленных вблизи антенны, влиянием фидера на общий коэффициент шума можно пренебречь.

Рис. 10

А антенна; ВЦ входная цепь; УРЧ усилитель радиочастоты; ПЧ преобразователь частоты; ПУПЧ предварительный усилитель промежуточной частоты; СК согласующий каскад; ОУПЧ основной усилитель промежуточной частоты; Д детектор.

Таким образом, чувствительность приемного устройства будет определяться только шумами первых его каскадов.

IV. ВХОДНЫЕ ЦЕПИ

Входной цепью радиоприемного устройства называют цепь, связывающую антеннофидерное устройство с первым каскадом усиления или преобразования частоты радиосигнала.

Основное ее назначение предварительная частотная селекция принимаемого сигнала от помех, ухудшающих реальную чувствительность радиоприемного устройства.

Структура входной цепи существенно зависит от назначения и условий работы радиоприемника и представляет собой пассивный частотно-избирательный 4полюсник.

В общем случае приемная антенна может быть представлена в виде эквивалентного активного двухполюсника, содержащего либо генератор ЭДС, с внутренним сопротивлением, либо генератора тока. с внутренней проводимостью.

Если размеры антенны малы по сравнению с длиной волны принимаемого излучения, то сопротивление складывается из сопротивлений элементов последовательного колебательного контура.

На более длинных волнах, когда влиянием, можно пренебречь, получаем эквивалентную схему антенны, содержащую последовательно включенные Еа, Са. Антенны, имеющие такие эквивалентные схемы, обычно используются в диапазонных приемниках умеренно высоких частот и называются ненастроенными антеннами.



Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис. 11

В диапазоне СВЧ применяются антенны, настроенные на среднюю частоту принимаемых сигналов, поэтому такие антенны называются настроенными и их эквивалентную схему можно представить в виде последовательного соединения Еа, Ra. Важным параметром настроенных антенн является номинальная мощность сигнала в антенне, определяемая по формуле (4.1):

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(4.1)

Основными качественными показателями входной цепи являются:

1. Коэффициент передачи но напряжению, который определяется как отношение напряжения U сигнала на входе активного элемента к величине ЭДС Е генератора, эквивалентного антеннофидерной системе:

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(4.2)

Поэтому коэффициент передачи входной цепи зависит не только от самого входного устройства, но и от сопротивления антенны Zа.

На метровых и более коротких волнах при данной напряженности поля сигнала антеннофидерную систему вместе с ЭДС Е, можно характеризовать величиной номинальной мощности Рном. Следовательно, антенную цепь можно характеризовать коэффициентом использования мощности или коэффициентом передачи по мощности.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(4.3)

Потери во входном устройстве удобно учитывать соответствующим входной проводимостью активного элемента Gвх и выходной проводимостью антеннофидерной системы g. Тогда величина Кр характеризует только рассогласование входа активного элемента с антеннофидерной системой.

Модуль коэффициента передачи по напряжению К и коэффициент использования номинальной мощности Кр связаны простой зависимостью

Размещено на http: //www. allbest. ru/

, (4.4)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

где.

Столь простая связь величин К и Кр позволяет в дальнейшем рассматривать лишь одну из них.

Из полученного выражения можно определить предельнодостижимый коэффициент передачи по напряжению. В идеальном случае, при полном согласовании и отсутствии потерь во входном устройстве, во входную проводимость первого активного элемента передается поминальная мощность антеннофидерной системы (Кр = 1), тогда

Размещено на http: //www. allbest. ru/

. (4.5)

Потери во входном устройстве и рассогласование уменьшают коэффициент передачи по напряжению К.

Наибольший интерес представляет резонансная величина модуля коэффициента передачи по напряжению Кр, так как она характеризует передачу полезного сигнала, на частоту которого настроено входное устройство. Обычно, т.е. большинство входных устройств увеличивают напряжение на входе активного элемента по сравнению с величиной ЭДС антеннофидерной системы. Подчеркнем, что увеличение сигнала достигается за счет трансформации напряжения, а не путем усиления, которое производится активными элементами с дополнительным источником энергии.

2. Полоса пропускания входной цепи, в пределах которой неравномерность передачи составляющих спектра принимаемого сигнала не превышает 3 дб.

3. Избирательность S1 при заданной расстройке f показывает степень подавления мешающей станции. Для входных устройств супергетеродинных приемников важное значение имеет ослабление приема на зеркальной частоте, которая отличается от частоты полезного принимаемого сигнала на две номинальные промежуточные частоты, а также ослабление приема па частоте, равной номинальной промежуточной частоте. Таким образом, входные цепи супергетеродинных приемников обеспечивают избирательность по зеркальному каналу и по каналу прямого прохождения.

4. Диапазон рабочих частот, в пределах которого входная цепь обеспечивает настройку на любую рабочую частоту при сохранении предыдущих показателей (коэффициента передачи по напряжению, полосы пропускания и избирательности) в заданных пределах. Диапазонные свойства обычно характеризуются коэффициентом перекрытия диапазона



Размещено на http: //www. allbest. ru/

(4.6)

Кроме перечисленных параметров в зависимости от назначения радиоприемного устройства к входным цепям предъявляются и другие важные требования, среди которых, в первую очередь, можно отметить требования обеспечения минимального коэффициента шума, минимальной нелинейности частотноизбирательных цепей с электронной перестройкой частоты и т.д. Иногда предъявляются требования слабого влияния разброса параметров антенны на работу входного устройства. Это требование объясняется тем, что многие приемники должны допускать работу от различных антенн, параметры которых могут значительно отличаться от средних значений.

Перечисленные требования в значительной степени противоречивы. Так получение высокого коэффициента передачи по напряжению неизбежно приводит к ухудшению избирательности входного устройства и к увеличению вредного влияния разброса параметров антенны. Поэтому при конструировании входного устройства приходится обращать, основное внимание на некоторые требования, в известной степени жертвуя другими.

Решение вопроса о том, какое требование является наиболее важным зависит от условий работы и назначения приемного устройства.

Входные устройства, работающие на настроенные антеннофидерные системы

При работе входных устройств при работе от настроенных антеннофидерных систем следует помнить, что антенну в этом случае можно представить как последовательное соединение генератора ЭДС сигнала и активного сопротивления. При работе с согласованной антенной особое внимание уделяется вопросам согласования, с целью достижения максимального коэффициента передачи по напряжению, так как основным источником помех в этом случае являются собственные шумы приемного устройства. В этом случае удастся получить максимальное отношение сигнал/шум на входе приемного устройства.

Автотрансформаторное входное устройство

Этот тип входного устройства нашел широкое применение на практике в приемниках метровых волн при несимметричном типе фидера. Нa более коротких волнах конструктивное выполнение такой схемы затруднительно, однако применяемые в этих диапазонах входные устройства приводятся к эквивалентной схеме автотрансформаторного типа. Поэтому изучению основных свойств таких входных цепей уделяется большое внимание.

Принципиальная схема автотрансформаторного входного устройства приведена на рис.

Настройка на частоту принимаемого сигнала производится изменением либо индуктивности либо емкости (что хуже). Но следует отметить, что настройка емкостью на практике применяется чаще, так как она проще конструктивно. Заменим эту схему эквивалентной (рис. ).

Рис. 12

Рис. 13

Если антенна согласована с фидером, то сопротивление генератора равно активному волновому сопротивлению фидера W.

Объединим



Размещено на http: //www. allbest. ru/

. (4.7)

При этом резонансная частота входной цепи может быть определена как

Размещено на http: //www. allbest. ru/

. (4.8)

Проводимость Gк можно представить в виде

Размещено на http: //www. allbest. ru/

, (4.9)

dк собственное затухание контура LC (обычно порядка 0,01ч0,005).

Обозначим

Размещено на http: //www. allbest. ru/

. (4.10)

Перейдем от генератора ЭДС к генератору тока, при этом справедливы следующие соотношения

Размещено на http: //www. allbest. ru/

,. (4.11)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис. 14

С учетом этих замечаний мы можем перейти к эквивалентной схеме на базе генератора тока. Эквивалентная схема при этом имеет вид представленный на рис. 4.4. В этом случае колебательный контур заменен эквивалентным с учетом входных параметров активного элемента усилительного каскада.

Генератор тока I с проводимостью g можно пересчитать ко входу активного элемента, при этом значения тока генератора и его проводимости можно представить следующим образом

Размещено на http: //www. allbest. ru/

,. (4.12)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Структурную схему входной цепи для этого случая можно представить в виде

Рис. 15

На резонансной4'частоте проводимости индуктивной и емкостной ветвей взаимно компенсируются и схема принимает вид, показанный на рис. 4.6.

Напряжение на входе активного элемента U0 можно определить по следующей формуле

Размещено на http: //www. allbest. ru/

. (4.13)



Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис. 16

Тогда резонансный коэффициент передачи по напряжению можно определить как

Размещено на http: //www. allbest. ru/

. (4.14)

Если уменьшать коэффициент трансформации т, перемещая отвод вниз по катушке индуктивности, то это будет оказывать на работу схемы два встречных действия:

1. Генератор слабее воздействует на контур, что учитывается множителем т в числителе выражения (4.14);

2. Проводимость g слабее шунтирует контур, увеличивая его добротность, что учитывается множителем m2 при первом члене знаменателя.

В результате совместного действия этих факторов коэффициент передачи по напряжению К0 при некотором т достигает максимального значения. Очевидно, что максимум К0 достигается в режиме согласования нагрузки G с приведенной проводимостью генератора тока I. Из условия согласования определим оптимальное значение коэффициента трансформации

Размещено на http: //www. allbest. ru/

. (4.15)

Согласование возможно лишь при, т.к. в противном случае, что в рассматриваемом случае неосуществимо.

Коэффициент передачи по напряжению в режиме согласования можно представить в виде

Размещено на http: //www. allbest. ru/

. (4.16)

На базе полученных выражений можно представить К0 как функцию, mс, для этого разделим числитель и знаменатель выражения (4.14) на mс2 и после несложных преобразований получим

Размещено на http: //www. allbest. ru/

где .

Зависимость К0 от а представлена на рис. 4.7.

Рис. 17

Из представленного графика видно, что умеренное отклонение от режима согласования слабо изменяет величину.

Резонансная кривая входной цепи соответствует резонансной кривой колебательного контура. Оценим затухание такого контура

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(4.18)

где

затухание контура входной цепи, рассчитанное с учетом собственных потерь и шунтирующего влияния входной проводимости активного элемента, но без учета влияния потерь в антеннофидерной системе.

Зависимость от а приведена на рис 4.8. Как видно из представленной зависимости при увеличении коэффициента трансформации m затухание d быстро возрастает, а, следовательно, избирательность входного устройства соответственно ухудшается. В режиме согласования при затухание контура входной цепи увеличивается в 2 раза ( ).

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Следовательно, присоединение согласованного фидера антенны вдвое ухудшает затухание контура, рассчитанное с учетом собственных потерь и шунтирующего действия активного элемента.

Из представленных графиков, показывающих изменение коэффициента передачи по напряжению и затухания входной цепи от коэффициента а, следует, что практически выгодно несколько уменьшать коэффициент трансформации по сравнению с режимом согласования, т.к. это почти не изменяет коэффициент передачи по напряжению, но заметно улучшает избирательность входной цепи.

При строгих требованиях к избирательности целесообразно сильно уменьшать коэффициент трансформации, если можно примириться с проигрышем в величине коэффициента передачи.

Необходимо иметь при этом виду, что рассогласование увеличивает потери в фидере и может вызвать в нем многократные отражения, что приводит к нежелательным повторениям принимаемого радиосигнала и искажению принимаемого сигнала.

Рассмотрим, как влияет величина емкости на коэффициент передачи по напряжению и на избирательность входного устройства.

Резонансная проводимость контура равна. Подставим ее в выражения для определения коэффициента передачи по напряжению и затухания при согласовании, тогда получим

Размещено на http: //www. allbest. ru/

, (4.19)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Если изменять полную емкость контура С, то для сохранения настройки на заданную частоту необходимо изменять индуктивность L. При этом собственное затухание контура dк остается приблизительно постоянным. С учетом этих выражений можно сделать вывод, что уменьшение емкости С увеличивает коэффициент передачи по напряжению К0 и увеличивает результирующее затухание d, ухудшая избирательность входной цепи. Это действие изменения емкости проявляется более или менее сильно в зависимости от соотношения проводимостей и .

Чтобы лучше проследить эту зависимость, рассмотрим два крайних случая:

1.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

, что соответствует случаю работы входной цепи на полевой транзистор (или лампу). В этом случае указанные величины могут определяться по следующим формулам

Размещено на http: //www. allbest. ru/

, (4.21)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

. (4.22)

В этом случае уменьшение емкости увеличивает коэффициент передачи по напряжению К0, и не влияет на затухание (т.е. в этом случае избирательность входной цепи не изменяется).

2. что соответствует работе входного устройства на биполярный транзистор. Соответствующие выражения можно представить как

Размещено на http: //www. allbest. ru/

, (4.23)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

. (4.24)

В этом случае, наоборот, уменьшение емкости не влияет на коэффициент передачи по напряжению, но увеличивает затухание во входной цепи, тем самым ухудшая ее избирательность.

Рассматривая эти выводы, необходимо помнить, что само соотношение проводимостей и зависит от величины емкости С и может случиться, что малая емкость С будет соответствовать случаю, тогда как при большой емкости будет справедливо соотношение. Необходимо помнить, что уменьшение полной емкости контура С ограничивается указанными выше причинами.

К недостаткам автотрансформаторной входной цепи следует отнести то, что в режиме согласования нельзя получить заданную полосу пропускания входной цепи, т.к. в этом случае затухание во входной цепи увеличивается в два раза.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Двойная автотрансформаторная схема входного устройства

Эта схема применяется достаточно часто. В этом случае фидер антенны и вход активного элемента присоединяются к отводам катушки индуктивности контура входной цепи. Принципиальная схема такого устройства может быть представлена следующим образом (Рис. 4.9).

Настройка на частоту принимаемого сигнала производится изменением либо индуктивности либо емкости (что хуже). Но следует отметить, что настройка емкостью на практике применяется чаще, так как она проще конструктивно.

Эквивалентная схема входной цепи может быть представлена в следующем виде (Рис.).

Рис. 18



Рис. 19

Заменяя, как и в предыдущем случае, антеннофидерную систему генератором тока I=Eg с проводимостью g=1/W, перейдем к новой эквивалентной схеме. Пересчитаем входную проводимость и входную емкость активного элемента ко входу колебательного контура:

...