РПУ супергетеродинного типа

Размещено на http://www.allbest.ru/

РПУ супергетеродинного типа

1. Супергетеродинные РПУ

В супергетеродинных РПУ принимаемый сигнал произвольной частоты из заданного диапазона переносится на фиксированную (промежуточную) частоту, на которой обеспечивается основное усиление и избирательность.

Структурная схема супергетеродинного РПУ с однократным преобразованием частоты приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема супергетеродинного РПУ

Радиосигнал из антенны подаётся во входную цепь, частотная характеристика которой соответствует выбранному частотному диапазону. Во входной цепи происходит предварительная частотная фильтрация.

2. Фильтрация побочных каналов приема побочные каналы

Полезный сигнал с произвольной частотой в аддитивной смеси с соседними по частоте сигналами поступает в усилитель радиочастоты (УРЧ), который обладает малым уровнем собственных шумов и поэтому называется также малошумящим усилителем (МШУ).

Наличие МШУ позволяет выделить слабый полезный сигнал на фоне собственных шумов УТ и обеспечить требуемую чувствительность РПУ. Далее полезный и мешающие соседние сигналы поступают в преобразователь частоты (ПЧ), который состоит из перестраиваемого по частоте генератора - гетеродина и смесителя на нелинейном элементе или перемножителе.

Колебательный контургетеродина перестраивается одновременно с входным контуром смесителя. В современных приёмниках в качестве гетеродина используется цифровой синтезатор частот с кварцевой стабилизацией.

В преобразователе частоты осуществляется перенос спектра сигнала с одной частоты на другую. По характеру воздействия на полезный сигнал данная операция должна быть линейной, т.е. не должна приводить к появлению нелинейных искажений в спектре полезного сигнала.

В идеальном преобразователе частоты операция преобразования частоты сводится к перемножению напряжения входного радиосигнала и напряжения гетеродина .

На выходе смесителя образуются колебания с частотами и . Разностный сигнал фиксированной промежуточной частоты= выделяется с помощью полосового фильтра и усиливается в усилителе ПЧ, после чего поступает в демодулятор, в котором восстанавливается сигнал низкой (звуковой) частоты.

Основные достоинства супергетеродинного приемника заключаются:

1. В легкости обеспечения перестройки РПУ в широком диапазоне по частоте. При этом имеются всего два перестраиваемых блока ВЦ и гетеродин.

2. В обеспечении гарантированных показателей качества в широком диапазоне частот, поскольку основное усиление и избирательность выполняются на фиксированной промежуточной частоте.

Наличие побочных каналов является одним из основных недостатков супергетеродинного РПУ. Однако этот недостаток частично преодолевается предварительной частотной селекцией во входной цепи с целью уменьшения уровня возможных помех на частотах побочных каналов. АЧХ входной цепи должна обеспечивать требуемое ослабление на частоте зеркального канала. Чем выше промежуточная частота, тем дальше побочные каналы расположены от основного канала приема и тем легче их подавить до ПЧ.

Недостатки супергетеродинного РПУ:

1. Наличие побочных каналов приема

2. Наличие дополнительного гетеродина, излучения в эфир.

Достоинства:

1. Легкость настройки по частоте

2. Одинаковость показателей качества в широкой полосе, т.к. избирательность и усиление проводятся на фиксированной промежуточной частоте.

3. Интермодуляционные и перекрестные помехи при усилении радиосигналов. Причины появления. Способы борьбы

Квадратичная передаточная хар-ка вторая производная

Если на вход УК воздействует смесь двух помех от соседних каналов, , то возникает интермодуляционная помеха.

Нелинейность усилительного прибора или преобразователя частоты приводит к нелинейным искажениям в законе модуляции и к возникновению особых помех приема сигналов: перекрестных и интермодуляционных помех.

Процесс образования перекрестных и интермодуляционных помех демонстрируется на примере структурной схемы, состоящей из усилительного каскада (УК) и фильтра, настроенного на частоту основного канала .

Рис. 2. Структурная схема УК и фильтра

(3.1)

На вход УК поступает аддитивная смесь полезного сигнала и помехи с частотой . Помехой обычно является колебание на частоте соседнего канала приема. Усиление и нелинейные взаимодействия полезного сигнала и помехи происходят в УК. Фильтр выделяет колебания с частотой . Сигнал и помеха являются амплитудно-модулированными колебаниями. Огибающие , , где - амплитуда полезного сигнала, - индекс амплитудной модуляции сигнала, - полезное сообщение, амплитуда помехи, - индекс амплитудной модуляции помехи, - мешающее сообщение.

Передаточная характеристика усилительного прибора нелинейная и в общем виде представляется . Так как уровень сигнала мал по сравнению со значением в рабочей точке, то допустимо разложение в ряд Тейлора вблизи

 (3.2)

- крутизна усилительного прибора. Из-за нелинейности УП и .

Из-за нелинейности передаточной характеристики усилительного прибора и при подаче на каскад суммы двух колебаний возникают гармоники сигнала и помехи и частоты . Из всех этих составляющих через полосовой фильтр пройдут только те, частота которых совпадает с частотой настройки фильтра.

Рассмотрим более подробно четвертое слагаемое в 3.2. При возведении в куб получается

Тригонометрические преобразования с составляющими, которые могут образовать колебание с частотой , приводят к следующим выражениям:

НИ

В полученных выражениях на частоте присутствуют две составляющие: и Первая представляет собой нелинейные искажения огибающей сигнала, так как перед стоит множитель , а вторая составляющая является перекрестной помехой. Ее паразитная модуляция перенеслась на несущее колебание , соответствующее полезному сигналу.

Общее выражение для амплитуды тока на частоте (множитель при ) с учетом усиления полезного сигнала имеет вид:

(3.3)

Из полученного выражения следует, что амплитуда выходного сигнала зависит от амплитуды полезного сигнала и помехи, появляются нелинейные искажения в законе огибающей полезного сигнала, амплитудная модуляция помехи переносится на выход усилительного каскада в виде паразитной модуляции.

Если на вход УК воздействует смесь двух помех от соседних каналов, , то возникает интермодуляционная помеха.

Ее возникновение объясняется вкладом кубического слагаемого передаточной характеристики в образование тока на частоте . В выражении появляются два слагаемых и , которые образуют комбинационные частоты и .

Если частоты и удовлетворяют равенству или , то образуется колебание или , которое является интермодуляционной помехой. При нелинейности второго порядка возникают комбинационная частота .

Нелинейные искажения принято оценивать коэффициентами нелинейных искажений и коэффициентом гармоник.

Рассмотрим сначала коэффициент нелинейных искажений. Пусть помеха соседнего канала отсутствует .

Тогда амплитуда тока на частоте равна . Зададим сообщениенизкочастотным гармоническим колебанием с частотой .

При подстановке в после раскрытия скобок и возведения в степень в выражении появляются составляющие с частотами , 2, 3.

Коэффициент нелинейных искажений по k-ой гармонике представляет собой отношение амплитуды k-ой гармоники к амплитуде первой гармоники . Амплитуда первой гармоники равна, второй и третьей .

Коэффициент нелинейных искажений по второй гармонике и коэффициент нелинейных искажений по третьей гармонике . Коэффициент нелинейных искажений . Поэтому, как правило, ограничиваются рассмотрением .

По определению коэффициент гармоник .

Коэффициент нелинейных искажений выражается через коэффициент гармоник .

Из полученных выражений следует, что снижение коэффициентов нелинейных искажений можно обеспечить:

1.Уменьшением отношения . Это достигается выбором усилительного прибора с квадратической передаточной характеристикой, у которой . Такими характеристиками обладают полевые транзисторы и электронные лампы.

2. Контролем уровень сигнала с помощью системы АРУ.

3. Использованием при модуляции малых значений индекса амплитудной модуляции .

Для оценки перекрестных помех вводят понятие коэффициента перекрестных помех, под которым понимается отношение индекса модуляции перекрестной помехи на выходе к индексу модуляции помехи на входе.

Для нахождения этого коэффициента предположим, что модуляция полезного сигнала отсутствует, , . При подстановке в (3.3) и выражение для амплитуды тока на частоте приобретает вид:

Выражение в скобках имеет вид огибающей АМ-помехи с индексом паразитной модуляции на выходе . Коэффициент перекрестных помех . С его помощью можно найти отношение перекрестная помеха - сигнал на выходе УК:

.

Для уменьшения уровня перекрестных помех нужно выбирать УП с квадратической передаточной характеристикой, у которых и уменьшать амплитуду несущих колебаний помехи до основного усиления, т.е. использовать фильтры рассредоточенной избирательности

4. Типы амплитудных детекторов. Свойства. Отличие синхронного детектора (СД) от несинхронного. В несинхронном сигнал помеха и шум, а в синхронном только полезный сигнал

В синхронном амплитуднпя модуляция формируется в фапче, а ассинхронном в другом месте

Типы демодуляторов АМ-сигналов

Реальные демодуляторы АМ-сигналов подразделяются на четыре типа:

1. Демодуляторы на нелинейных элементах

2. Корреляционные демодуляторы

3.Синхронные (когерентные) демодуляторы

4. С выделением квадратурных составляющих

Аналоговые демодуляторы АМ-сигналов обычно называют амплитудными детекторами (АД).

1. Демодуляторы на нелинейных элементах - традиционный тип АД, к которому относятся: диодные (рис.3) и транзисторные АД и детекторы на ИС.

Недостатками таких АД являются невысокий коэффициент передачи и низкое входное сопротивление (у диодного АД), зависимость входного сопротивления от уровня сигнала и большие нелинейные искажения демодулированного сигнала при Рис. 3 малом уровне входного сигнала.

Характеристики АД первого типа можно значительно улучшить, если в качестве цепи нелинейного элемента использовать "идеальный диод ". Такой идеальный элемент представляет собой усилитель с большим коэффициентом передачи (обычно операционный усилитель ОУ), охваченный нелинейной обратной связью. Схема "идеального диода" изображена на рис.4 и АД на его основе на рис 3. Всостав АД входят '“идеальный диод" и ФНЧ, который выделяет низкочастотною составляющую напряжение на выходе "идеального диода".

Характеристика “идеального диода' в точках 1 и 2 определяется выражениями и

Сопротивления и выбирают одинаковыми для обеспечения симметричности работы схемы при положительных и отрицательных полуволнах входного колебания. Нерабочая |ветвь схемы (при сьеме сигнал с точки 2) служит для ограничения напряжения на выходе ОУ, при прохождении через него нерабочей полуволны входного колебания.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4

Нелинейные искажения демодулированного сигнала в схеме АД на идеальном диоде наступают при входном сигнале, меньшем по уровню в , где - коэффициент усиления ОУ без обратной связи.

Однако в реальных условиях эксплуатации "идеального диода” необходимо учитывать разбалансировку ОУ из-за разности входных токов и напряжения смещения. Уровень сигнала не должен превышать 50мВ.

2. Корреляционные АД. Демодуляция сигнала проводится с помощью перемножения АМ-сигнала на опорное колебание, формируемого из принятого процесса устранением амплитудной модуляции, и последующей низкочастотной фильтрацией.

Для устранения амплитудной модуляции применяют либо ограничители амплитуды или компараторы. Структурная схема изображена на рис. 5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5

Для нормальной работы корреляционного АД необходимо, чтобы порог ограничения ОА или порог срабатывания компаратора были меньше минимальной амплитуды AM-сигнала, т.е. не превосходили величины

При выполнении этого условия напряжения на выходе ОА и компаратора соответственно равны и , где U - амплитуда выходного напряжения, -знаковая Функция.

В результате перемножения опорных напряжений с выходным сигналом образуется колебание и , где - коэффициент передачи перемножителя. Постоянные составляющие данных колебаний соответственно равны и . Эти составляющие выделяются ФНЧ.

Оценки демодулированных сигналов:

при использовании ограничителя амплитуды и

использовании компаратора.

Оценки демодулированного сигнала линейно зависят от сообщения, поэтому рассмотренные АД называют линейными корреляционными АД.

Линейная зависимость справедлива только при выполнении указанного ранее требования к ОА или компаратору. В противном случае зависимость становится, нелинейной (близкой к квадратичной), и детектор вносит существенные нелинейные искажения демодулированного сигнала.

В синхронном амплитуднпя модуляция формируется в фапче, а ассинхронном в другом месте

В синхронном среднение значение шума на выходе 0 среднее и постоянааясостовлящая, дисперсия на выходе та же что на входе

В несинхронном сигнал помеха и шум, а в синхронном только полезный сигнал. Синхронные (когерентные) демодуляторы (рис.8) строятся по схеме корреляционного АД, однако в качестве опорного используется колебание, формируемое системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Система ФАПЧ является астатической системой слежения за частотой, в которой остаточная ошибка по частоте , где - несущая частота сигнала; ~ установившееся значение частоты управляемого генератора G, входящего в систему ФАПЧ. (ОА-ограничитель амплитуды, УНЧ-усилитель низкой частоты, ФД-фазовый детектор)



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6

Поэтому при медленных изменениях несущей частоты колебание генератора практически синхронно с несущим колебанием полезного сигнала и, следовательно, может быть использовано как опорное при демодуляции сигнала.

Обозначим через опорное колебание, вырабатываемое системой ФАПЧ. Начальная фаза этого колебания в общем случае не совпадает с начальной фазой несущего колебания принятого сигнала, так как разность фаз зависит от начальной расстройки между частотой генератора и несущей частотой сигнала. Это связано с тем, что по фазе система ФАПЧ - статическая система регулирования (имеется в виду система ФАПЧ без дополнительного интегратора).

На выходе перемножителя присутствует колебание , низкочастотная составляющая которого выделяется ФНЧ.

Поэтому выходное напряжение и демодулированный сигнал

Синхронный АД является линейным детектором и его коэффициент передачи зависит от фазовой ошибки , вносимой системой формирования опорного колебания.

Зависимость коэффициента передачи от фазовой ошибки проявляется в мультипликативной помехи на выходе детектора, так как частотная нестабильность колебания генератора Gи несущего колебания сигнала приводит к флюктуациям фазовoй ошибки во времени. Мультипликативная помеха снижает качество приема АМ-сигнала. Поэтому синхронный АД можно применять в системах с достаточно высокой стабильностью частотной стабильностью. Для снижения уровня мультипликативной помехи необходимо повышать частотную стабильность генератора и увеличивать петлевое усиление системы ФАПЧ, от которого зависит величина фазовой ошибки. При небольших фазовых ошибках демодуляция АМ-сигнала синхронным АД практически совпадает с оптимальной демодуляцией. Поэтому помехоустойчивость синхронного АД близка кпотенциальной помехоустойчивости приема АМ-сигналов. В этом состоит существенное достоинство синхронного АД перед другими типами АД. Однако это достоинство проявляется в том случае, когда система ФАПЧ при воздействии шума имеет малую дисперсию фазовой ошибки. Поэтому в синхронных АД должна применяться система ФАПЧ с малой шумовой полосой.

Важное достоинство синхронного АД состоит в том, что в нем отсутствует эффект подавления слабого сигнала сильным, характерный для первых двух типов АД. Отсутствие эффекта подавления объясняется тем, что при синхронном детектировании выполняется принцип суперпозиции относительно входного воздействия.

4. Амплитудные детекторы с выделением квадратурных составляющих сигнала используются при цифровой обработке сигналов.

Любой радиосигнал можно записать в виде синфазной и квадратурных составляющих. АМ сигнал запишем сигнал в виде



канал радиосигнал интермодуляционный супергетеродинный

где -синфазная и квадратурная составляющие сигнала.

Огибающая AM сигнала

Синфазная и квадратурная составляющие выделяются квадратурным расщепителем (обведен штриховкой )

Для выделения квадратурных составляющих требуется выполнения условия узкополосности:

Соответствующая структурная схема АД изображена на рис. 7.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7

Размещено на Allbest.ru

...