Радіопередавальні та радіоприймальні пристрої (принципи дії)

8

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Радіопередавальні та радіоприймальні пристрої (принципи дії)

Тракт радіозв'язку складається з таких частин (рис. 1):

джерела інформаційних сигналів (мікрофона, телеграфного ключа, телевізійної камери, тощо);

передавача, який перетворює низькочастотні інформаційні сигнали у високочастотні радіосигнали;

передавальної антени А₁, простору у якому поширюються випромінювані нею радіохвилі і приймальної антени А₂;

приймача, який підсилює прийняті радіосигнали та видобуває з них корисний низькочастотний інформаційний сигнал;

відтворювача інформації (гучномовця, телевізійної трубки - кінескопа, приймального телеграфного апарату або пристроїв, які записують та фіксують сприйняті низькочастотні сигнали, наприклад, пейджерів).

Тут ми не будемо торкатися методів кодування та декодування інформаційних сигналів, які застосовуються у сучасному радіозв'язку, ані питань пов'язаних з випромінюванням та поширенням радіохвиль. Ці питання виходять за межі програми даного курсу і складають предмет інших окремих курсів. Зосередимося лише на побудові та принципах дії як передавальних, так і радіоприймальних пристроїв, бо саме у них використовуються ті фундаментальні процеси перетворення електричних сигналів, які і являють основний інтерес для даного курсу.

Принцип дії радіопередавального пристрою

До роботи, що її виконує радіопередавальний пристрій (передавач), входять такі функції:

створення високочастотного гармонічного сигналу несучої частоти (несучого сигналу);

модуляція цього сигналу низькочастотним інформаційним сигналом;

підсилення модульованого сигналу і доведення його потужності до потрібної величини.

Блок-схема радіопередавального пристрою, що виконує усі ці функції, зображена на рис. 2.

Тут блок №1 - задаючий генератор - являє собою малопотужний автогенератор зі стабільною частотою генерованих коливань. Стабільність частоти тут дуже важлива. Зараз у всьому світі працює величезна кількість радіостанцій, як широкомовних так і зв'язкових.

Для того, щоб вони не створювали одна одній взаємних завад, кожній станції згідно до міжнародної конвенції виділяється суворо визначена ділянка у діапазоні частот, у якій і має бути розташований увесь спектр випромінюваних нею коливань. Якщо частота станції почне «сповзати» із визначеного для неї місця, її спектр може перекритися із спектром сусідньої за частотою станції і ніяким чином у місці приймання розділити їх не вдасться.

Для стабілізації частоти використовують усі відомі методи: застосування у коливному контурі задаючого генератора лише високоякісних деталей з малими температурними коефіцієнтами зміни параметрів, стабілізацію режимів живлення, стабілізацію температури шляхом термостатування, тощо. Але поряд з усіма цими методами найбільш радикальним є застосування кварцевої стабілізації, що і роблять у переважній більшості радіопередавальних пристроїв.

Блок №2 - буферний підсилювач - застосовується для підсилення коливань, що їх створює задаючий генератор, а головне - для того, щоб «розв'язати» задаючий генератор відносно модулятора. Справа в тому, що у процесі модуляції режим роботи модулятора зазнає змін у відповідності до змін низькочастотного модулюючого сигналу. Зазнає деяких змін і вхідний опір модулятора, який є навантаженням для попереднього блоку. Якщо б вхід модулятора був би безпосередньо приєднаний до виходу задаючого генератора, зміни режиму модулятора могли б відбиватися на роботі цього генератора і дещо змінювати частоту утворюваних ним коливань, що є неприпустимим. Тому бажано ставити між модулятором і задаючим генератором проміжний буферний підсилювач, що «захищає» задаючий генератор від впливів з боку модулятора.

Блок №3 - модулятор - служить для модуляції сигналу з несучою частотою низькочастотним інформаційним сигналом. Так, наприклад, в разі амплітудної модуляції амплітуда ВЧ сигналу на виході модулятора має бути пропорційною до миттєвого значення низькочастотного модулюючого сигналу.

Блок №4 - прикінцевий підсилювач потужності - підсилює промодульований сигнал і доводить його потужність до номінального значення. З цією метою використовуються звичайно резонансні підсилювачі потужності, що працюють у режимах В або С. Оскільки абсолютна потужність коливань, що подаються з виходу прикінцевого каскаду до антени, є досить великою, істотною характеристикою такого підсилювача стає вже коефіцієнт корисної дії. Важливо також, щоб прикінцевий підсилювач потужності не створював нелінійних спотворень, тобто щоб форма обвідної промодульованого сигналу зберігала форму модулюючого сигналу.

Нарешті, блок №5 - підсилювач низької частоти - здійснює підсилення слабких інформаційних сигналів, що створюються, наприклад, мікрофоном М, або якимсь іншим джерелом, до значень, необхідних для успішної роботи модулятора.

Для роботи радіопередавача абсолютно необхідними є блоки 1 і 3 - задаючий генератор і модулятор (вони обведені на рис. 2 товстою лінією). Усі інші блоки є бажаними, і вони звичайно присутні у схемах реальних радіопередавачів, але вони не є принципово необхідними.

Приймач прямого підсилення

Найпростішим різновидом приймачів є приймач прямого підсилення. Його блок-схема зображена на рис. 3.

Високочастотний сигнал сприйнятий антеною А потрапляє на вхід першого блоку приймача - підсилювача високої частоти (ПВЧ), котрий виконує дві вельми важливі функції: по-перше, він підсилює слабкий вхідний сигнал до величини, необхідної для успішної роботи детектора, тобто принаймі до кількох десятих вольта; по-друге, він здійснює частотну селекцію сприйнятого сигналу. Справа в тому, що антена вловлює сигнали усіх радіостанцій світу і виділити з цього хаосу сигнал бажаної радіостанції вдається лише завдяки тому, що кожна радіостанція має свою, надану їй і суворо фіксовану ділянку частотного діапазону.

Вхідний підсилювач приймача повинний пропускати і підсилювати лише ті частоти, які лежать в межах цієї ділянки і подавляти усі частоти за її межами. Від міри вибірковості (селективності) ПВЧ залежатиме відсутність завад від сусідніх (по частоті) радіостанцій, котрі можуть збуджувати у антені сигнали набагато більші, аніж сигнал від бажаної радіостанції.

Як ПВЧ застосовуються звичайно багатокаскадні резонансні підсилювачі, коливні контури яких настроєні на несучу частоту бажаної радіостанції. Міра селективності подібного підсилювача залежить врешті-решт від добротності цих коливних контурів.

Як правило, приймач повинний мати змогу перестроюватися у певному діапазоні частот. Така перестройка здійснюється за допомогою конденсаторів змінної ємності, що входять до складу коливних контурів ПВЧ. Для одночасної перестройки кількох каскадів ПВЧ змінні конденсатори насаджуються на загальну вісь так, щоб при їх обертанні їх ємність змінювалась однаково. Звичайно ємність таких змінних конденсаторів вдається змінювати не більш як у десять разів. Оскільки ж резонансна частота контуру обернено пропорційна до кореня квадратного від ємності, то відповідна перестройка контурів по частоті не перевищує трьох. Перехід до інших діапазонів здійснюється шляхом зміни котушок індуктивності у контурах.

Другий блок приймача прямого підсилення - детектор - виділяє з модульованого ВЧ сигналу інформаційний низькочастотний сигнал, котрий і є кінцевою метою роботи приймача. Що ж до компоненти з несучою частотою, то вона по проходженню через детектор втрачається, бо в ній вже немає потреби. Для детектування амплітудно-модульованих сигналів звичайно застосовуються прості діодні схеми, як були розглянуто вище. Детектори фазово - або частотно-модульованих коливань являють собою складніші пристрої і ми їх розглянемо згодом окремо.

Нарешті. підсилювач низької частоти (третій блок) призначений для підсилення віддетектованого сигналу низької частоти (котрий по виходу з детектора має звичайно величину меншу від вольту) до величини потрібної для роботи репродуктора або якогось іншого пристрою, який відтворює або фіксує інформацію, що її несуть низькочастотні коливання.

Параметри, які характеризують роботу приймача

До параметрів, що характеризують роботу радіоприймача призначеного для приймання радіомовних станцій, входять такі величини:

а) Чутливість. Вона визначає той мінімальний рівень сигналу на вході, який може впевнено і надійно сприйматися приймачем. Чутливість визначається як напруга на вході приймача, що забезпечує номінальну потужність на його виході при глибині модуляції сигналу 30% і співвідношенні сигнал-шум Р_С/Р_Ш = 20 дБ.

Здавалося б, що нарощуючи кількості каскадів ПВЧ можна було б досягти будь-якого великого підсилення і одержати як завгодно велику чутливість. В дійсності мінімальна величина вхідного сигналу обмежується рівнем внутрішніх шумів у вхідних колах приймача. Вони спричиняються тепловими флуктуаціями у пасивних елементах схеми і флуктуаційними явищами у активних приладах (транзисторах або електронних лампах). Останні бувають звичайно набагато більшими від перших. Тому одна з найважливіших задач сучасної радіоелектроніки - це зниження шумів у активних елементах і наближення їх до рівня теплових шумів, котрі становлять природну межу чутливості будь-якої радіоелектронної апаратури.

Для ілюстрації можна навести такі числа: чутливість найкращих радіомовних приймачів (І та ІІ класів) складає 100 - 200 мкВ; у радіолокаційних і лабораторних вимірювальних приймачах вона може досягати 1 - 10 мкВ.

б) Вибірковість. Вона характеризує можливість відстроювання приймача від завад з боку сусідніх (по частоті) радіостанцій і визначається як зниження коефіцієнта підсилення ПВЧ при віддаленні від частоти точної настойки на 10 кГц. За існуючими стандартами для радіомовних приймачів І класу це послаблення має бути не меншим від 46 дБ, для ІІ класу - не меншим 34 дБ.

в) Смуга відтворюваних частот. Це смуга частот, у котрій низькочастотний інформаційний сигнал відтворюється без лінійних спотворень. За існуючими стандартами нерівномірність у відтворенні частот у цій смузі, котра складає звичайно 3 - 4 кГц, не повинна перевищувати 3 дБ.

З нерівномірністю АЧХ ми вже мали справу при вивченні частотних характеристик підсилювачів низьких частот. Нерівномірність такої природи може мати місце і радіоприймачах прямого підсилення за рахунок нерівномірності АЧХ його підсилювача низької частоти. Але значно більший внесок можуть давати каскади ПВЧ.

Нехай амплітудно-частотна характеристика ПВЧ (тобто залежність його коефіцієнта підсилення від частоти) має вигляд кривої зображеної на рис. 4а. Тут - несуча частота, - коефіцієнт підсилення на цій частоті (будемо вважати, що ПВЧ точно настроєний на несучу частоту станції). Ця амплітудно-частотна характеристика ПВЧ визначається його коливними контурами і має вигляд резонансної кривої. Нижче, на рис. 4б умовно зображений спектр сигналів амплітудно-модульованої радіостанції. Він складається з несучої частоти і двох бокових смуг, що простягаються праворуч ліворуч від до та , де - найвища частота у спектрі модулюючого сигналу.

При проходженні через ПВЧ спектр сигналу стає деформованим: крайні частоти зазнають меншого підсилення, аніж частотні складові ближчі до несучої частоти, і спектр набуває вигляду подібного до зображеного на рис. 4в.

Після детектування такий спектр з послабленими високочастотними компонентами надходить на вхід ПНЧ, до нерівномірності якого буде тепер додана нерівномірність спричинена каскадами підсилювача високої частоти.

Для зменшення деформацій спектра, що вносяться каскадами ПВЧ, було б бажано, щоб їх АЧХ у межах спектра станції була рівномірною і зображена на рис. 3а крива мала б плоску верхівку. Найпростіше цього можна було б досягти, використовуючи низькодобротні контури з тупою резонансною кривою (пунктирна лінія на рис. 4а). Але тоді вимоги малої нерівномірності вступили б у протиріччя з вимогами вибірковості.

Ідеальною амплітудно-частотною характеристикою ПВЧ була б характеристика зображена на рис. 5 суцільною лінією: з рівною верхівкою у межах і різкими вертикальними краями. Але така прямокутна АЧХ не може бути здійснена реально. Задовільним наближенням до неї може бути резонансна крива двох зв'язаних контурів зі зв'язком трохи більшим від критичного (на рис. 4 - пунктирна лінія). Ще кращого наближення до ідеальної АЧХ може дати смуговий фільтр побудований з трьох (або більше) зв'язаних контурів, Саме таким шляхом вдається більш-менш подолати протиріччя між вимогами вибірковості приймача і вимогами що до рівномірності підсилення у смузі підсилюваних ним частот.

Супергетеродинний приймач

Приймачам прямого підсилення притаманні деякі недоліки, які особливо дають взнаки при перестоюванні цих приймачів у широкому діапазоні частот:

При перестроюванні каскадів підсилювача високої частоти, яке здійснюється звичайно за допомогою конденсаторів змінної ємності, добротність контуру і його еквівалентний опір у короткохвильовому (високочастотному) кінці діапазону виявляються значно вищими, аніж у довгохвильовому. А це призводить до того, що у короткохвильовому кінці діапазону коефіцієнт підсилення ПВЧ буває значно вищим, аніж у довгохвильовому. Аналогічно і при переході між діапазонами змінюються параметри приймача: його чутливість і вибірковість бувають у діапазоні коротких хвиль кращими, ніж у довгохвильовому діапазоні.

Виникають труднощі з одночасним перестроюванням усіх контурів у багатокаскадному підсилювачі високої частоти, оскільки навіть невелика їх взаємна розстройка істотно погіршує як чутливість, так і селективність приймача в цілому. Ці труднощі ще більш зростають, якщо у кожному каскаді ПВЧ для покращання форми АЧХ застосовуються по два або більш зв'язаних коливних контурів.

Ці недоліки призвели до того, що зараз приймачі прямого підсилення виявилися витісненим супергетеродинними приймачами. Блок-схема подібного приймача зображена на рис. 6. Принцип його дії такий:

Сигнал сприйнятий антеною А проходить у преселекторі (1) попередню селекцію за частотою. Звичайно преселектор являє собою систему контурів, котрі настроюються на частоту сприйманого сигналу . Далі сигнал потрапляє до підсилювача високої частоти (2), де він зазнає попереднього підсилення і додаткової селекції за частотою. Слід зауважити, що підсилювач високої частоти у супергетеродинному приймачі не є обов'язковим і у більшості радіомовних приймачів взагалі відсутній.

Пройшовши попередню селекцію (і підсилення) сигнал потрапляє на вхід перетворювача частоти (3), котрий і являє собою найбільш важливий і специфічний елемент супергетеродинного приймача. Крім сигналу з частотою на перетворювач подається гармонічний сигнал з частотою , котрий виробляється малопотужним перестроюваним автогенератором (4), який має назву гетеродина. Настроювання гетеродина здійснюється так, щоб різницева частота , яка з'являється на виході перетворювача частоти, завжди дорівнювала б деякій фіксованій частоті , яка має назву проміжної частоти. За існуючими стандартами для радіомовних приймачів ця проміжна частота має дорівнювати 465 кГц. Так, наприклад, для прийому радіостанції з частотою =1000 кГц частота гетеродина має бути =1465 кГц, а для =1100 кГц відповідно =1565 кГц. У процесі перетворювання на проміжну частоту переходить модуляція - амплітудна, частотна або фазова, що її мав сприйнятий сигнал з частотою.

З виходу перетворювача частоти сигнал з проміжною частотою надходить до ППЧ - підсилювача проміжної частоти (5), котрий являє собою багатокаскадний резонансний підсилювач високої частоти. Але на відміну від ПВЧ приймача прямого підсилення, що настроювався безпосередньо на частоту сприйманого сигналу, настройка ППЧ є фіксованою на частоту ; вона робиться при виготовленні приймача і ніяким змінам не підлягає. Цим знімаються проблеми, які мали місце у приймачах прямого підсилення: оскільки основне підсилення і селекція у супергетеродинному приймачі відбуваються у ППЧ, вони виявляються незмінними і незалежними від частоти сприйнятого сигналу. А фіксована настройка дозволяє застосовувати у каскадах ППЧ смугові фільтри, що складаються з кількох контурів, забезпечуючи тим форму АЧХ близькою до ідеальної.

Далі ідуть детектор (6) і підсилювач низької частоти (7), які не відрізняються від тих, що мають місце у приймачах прямого підсилення.

Але маючи безперечні переваги порівняно з приймачами прямого підсилення, супергетеродинні приймачі мають разом з тим певні специфічні недоліки, які утворюють проблеми при їх реалізації.

Перший з них - це існування «дзеркального каналу». Таку назву має частота сигналу

котра лежить вище від частоти гетеродина на величину . Якщо сигнал з такою частотою потрапить на вхід перетворювача, то взаємодіючі з сигналом гетеродина, він також дасть сигнал з різницевою частотою, яка дорівнює проміжній частоті:

Цей сигнал буде підсилюватися у ППЧ нарівні з сигналом основної радіостанції з частотою . Оскільки частотний спектр сигналів, що вловлюються антеною, густо заповнений частотами від усіх радіостанцій світу, завжди існує імовірність того, що при настойці приймача на бажану станцію знайдеться інша, «дзеркальна», котра і буде створювати завади прийому і навіть може зробити його зовсім неможливим.

радіозв'язок приймач сигнал

Саме для придушення сигналів дзеркального каналу і потрібна преселекція. Проходячи через преселектор, настроєний на частоту , сигнал дзеркального каналу зазнає істотного послаблення (рис. 7). У радіомовних приймачах послаблення по дзеркальному каналу має бути не менш ніж на 30 - 40 дБ. Звичайно це здійснити нескладно, бо інтервал між частотами і досить великий.

Інша проблема, яка виникає при побудові супергетеродинного приймача, має характер скоріш технічний ніж принциповий. Це спряження настройки преселектора і гетеродина. Як вже зазначалось вище, частота гетеродина має бути вищої від частоти сприйнятого сигналу на і ця вимога повинна виконуватись у всьому діапазоні перестроювання приймача. Але звичайно змінні конденсатори, які стоять у контурах гетеродина і преселектора, є ідентичними, і виконати вищезгадану умову намагаються вмикаючи паралельно і послідовно до змінного конденсатора С, що стоїть у контурі гетеродина, деякі додаткові постійні ємності С₁ і С₂. Таким чином вдається забезпечити точне спряження лише у трьох точках діапазону. Положення цих точок обирається так, щоб середньоквадратичне відхилення від точного спряження у межах діапазону було мінімальним.

Размещено на Allbest.ru