Радиоприёмные устройства

Для чего служит система АРУ в приёмнике? Какие типы АРУ применяются в РПрУ?

Начертите структурную схему обратной АРУ и объясните принцип её работы.

Начертите структурную схему прямой АРУ и объясните принцип её работы.

Начертите структурную схему комбинированной АРУ и объясните принцип её работы.

Почему автоматической регулировке усиления подвергаются первые каскады тракта усиления приёмника?

Объясните принцип режимной регулировки, используемой в каскадах усиления приёмника.

Объясните принцип регулировки усиления с помощью изменения эквивалентного сопротивления нагруженного контура. Достоинства и недостатки этого способа регулировки.

Как осуществляется регулировка усиления с помощью ООС?

Для чего применяется автоматическая регулировка полосы пропускания приёмника?

Для чего необходима система АПЧ в РПрУ? Начертите общую структурную схему системы АПЧ и объясните принцип её работы.

Начертите структурную схему системы ЧАПЧ и объясните принцип её работы.

Начертите структурную схему системы ФАПЧ и объясните принцип её работы.

Объясните, почему система ФАПЧ более чувствительна, чем система ФАПЧ.

Глава 10. Приём стереофонических и цифровых сигналов

10.1 Приём сигналов стереофонического вещания

Одним из радикальных методов улучшения звучания РПрУ является переход к стереофоническому вещанию, дающему представление о пространственном нахождении источника звука и его перемещении.

Принцип формирования стереофонического радиосигнала и один из вариантов структурной схемы передающего тракта показаны на рис.10.1.

Рис.10.1. Структурная схема передающей части стереосистемы

с полярной модуляцией

Стереофоническая передача осуществляется с помощью двухканальной системы вещания. У источника звука (например, симфонического оркестра), состоящего из трёх групп инструментов И1, И2, И3 располагаются два микрофона М1 и М2. Микрофон М1 является началом левого (от слушателя) канала (Л), а микрофон М2 - правого (П). Звуковые колебания, воспринятые микрофонами с учётом расположения источников звука, преобразуются в электрические сигналы Л и П соответствующей формы.

Система стереопередачи должна обеспечивать совместимость с монофонической. Это значит, что радиослушатель должен иметь возможность слушать стереопередачу с помощью обычного монофонического радиоприёмника, но без стереоэффекта. Для этого после усиления сигналы Л и П подаются на суммарно-разностный преобразователь, на выходе которого формируются суммарный (Л + П) и разностный (Л - П) сигналы. Суммарный объединяет сигналы, воспринятые правым и левым микрофонами. В монофоническом приёмнике выделяется именно этот сигнал, который является хорошим аналогом монофонического сигнала. Спектр этого сигнала 30 Гц …15 кГц.

Для передачи разностного сигнала используется метод амплитудной модуляции поднесущей частоты 31,25 кГц. В результате модуляции на выходе амплитудного модулятора получают двухполосный сигнал (рис.10.2) со спектром от 16,25 до 46,25 кГц.

Рис.10.2. Спектр сигнала на выходе схемы сложения:

а - с неподавленной поднесущей; б - с частично

подавленной поднесущей.

Поднесущая подавляется в 5 раз (на 14 дБ). При этом несколько подавляются и составляющие спектра, ближайшие к поднесущей частоте. При приёме сигнала с неподавленной поднесущей в обычном монофоническом приёмнике происходит уменьшение громкости сигнала примерно в два раза. Объясняется это тем, что по действующим стандартам максимальная девиация несущей радиопередатчика при стерео- и монофонической передаче не должна превышать 50 кГц. Частичное подавление поднесущей fПН = 31,25 кГц на 14 дБ позволяет уменьшить девиацию частоты передатчика, необходимую для её передачи, до 20% от максимальной девиации несущей частоты комплексным стереофоническим сигналом, а следовательно, и полосу частот радиоканала. Подавление поднесущей позволяет увеличить мощность радиосигнала, передающего суммарный (Л +П) сигнал. При этом не снижается громкость монофонического звучания на выходе обычного приёмника. Спектр сигнала с частично подавленной поднесущей показан на рис.10.2, б.

Таким образом, формируется комплексный стереофонический сигнал (КСС) со спектром 30 Гц … 46,25 кГц, примерно в три раза более широким, чем спектр звуковых частот при монофонической передаче. В отечественной системе стереофонического вещания несущая радиопередатчика модулируется по частоте этим комплексным стереосигналом. Стереофонический радиосигнал представляет собой УКВ ЧМ сигнал, содержащий сумму и разность сигналов Л и П каналов. Ширина спектра модулированного комплексным стереофоническим сигналом высокочастотного сигнала на выходе передатчика составляет 190 кГц.

Для повышения помехозащищённости сигналов Л и П в области верхних частот, где уровень спектральных составляющих существенно меньше, чем на средних частотах спектра, и учитывая то, что шумы на выходе ЧД увеличиваются с увеличением девиации частоты, в передатчике введена RC-цепь частотных предыскажений сигналов Л и П стереопары; её постоянная времени нормализована и составляет ф = 50мкс. В результате передаваемые сигналы имеют огибающие спектра, представленные на рис.10.3:

Рис.10.3. Спектр комплексного стереосигнала с предыскажениями

В России и большинстве стран СНГ, ряде стран Восточной Европы для передачи программ стереофонического радиовещания используют диапазоны УКВ1 на частотах 66 …74 МГц и УКВ2 - 100 …108 МГц, в европейских государствах, кроме России, - 88 …104 МГц, в Японии - 76 …88 МГц, в США это диапазон 88 …108 МГц.

Существуют три различные системы стереофонического вещания, рекомендованные Международным Консультативным комитетом по радиовещанию (МККР):

отечественная, работа которой основана на принципе полярной модуляции (АМ-ЧМ);

американская с пилот-тоном (БМ-ЧМ);

шведская (ЧМ-ЧМ).

В России для передачи стереопрограмм принята система с полярной модуляцией. Положительные полупериоды ВЧ-колебания модулированы одним сигналом стереопары, а отрицательные полупериоды - другим. Временная диаграмма полярно-модулированного колебания (ПМК) изображена на рис.10.4:

Рис.10.4. Вид полярно-модулированного колебания (ПМК)

Огибающая положительных полуволн ПМК несёт информацию левого (Л) полярно-модулированного колебания, а огибающая отрицательных полуволн - правого (П) канала стереопрограммы.

Спектр ПМК (рис.10.2) состоит из двух составляющих (частей): низкочастотной (тональной части), представляющей собой сумму колебаний UЛ(t) +

+ UП(t) и надтональной части, которая представляет собой поднесущее колебание, модулированное по амплитуде разностью сигналов UЛ(t) - UП(t).

Структурная схема стереофонического приёмника представлена на рис.10.5.

Рис.10.5. Структурная схема стереофонического приёмника

Структура радиотракта стереофонического и монофонического приёмников ЧМ сигнала практически одинакова. Однако, полоса пропускания при стереофоническом приёме приблизительно на 60 кГц шире (при монофоническом приёме П ? 130 кГц). Более широкая полоса пропускания радиотракта приёмника позволяет воспроизвести КСС с малыми нелинейными и амплитудно-частотными искажениями. Необходимость этого вызвана тем, что, в отличие от монофонической, при стереопередаче на выходе ЧД приёмника должны быть воспроизведены без искажений не только амплитудные соотношения в спектре КСС, но и сдвиги фаз между отдельными составляющими спектра. Для сохранения амплитудных и фазовых соотношений между составляющими спектра КСС АЧХ (измеренная на выходе ЧД) должна быть горизонтальной, а ФЧХ - линейной во всём диапазоне частот (до 46,25 кГц). Однако в реальных приёмниках существует некоторый спад АЧХ на верхних модулирующих частотах, для коррекции которых на выходе ЧД включают корректирующие

RС-цепи. Эти цепи на приёмной стороне компенсируют предыскажения, введённые в передатчике.

После ЧД выделенный КСС поступает на стереодекодер. Стереодекодер выполняет следующие функции:

восстановление амплитуды поднесущей частоты (цепь преобразования КСС в ПМК);

производит детектирование ПМК;

производит коррекцию предыскажений.

Известны три основных метода декодирования КСС в системе с ПМ:

метод полярного детектирования по огибающей (детектирование колебаний с ПМ по огибающей);

суммарно-разностный метод с предварительным разделением спектра (декодирование с разделением спектра);

метод переключений с временным разделением каналов (декодирование КСС путём временного разделения каналов).

Детектирование колебаний с ПМ по огибающей производится по схеме, приведенной на рис.10.6:

Рис.10.6. Схема полярного детектора

На выходах детекторов VD1 (с положительным выходом) и VD2 (с отрицательным выходом) формируются низкочастотные сигналы левого UЛ(t) и правого UП(t) каналов.

Стереодекодеры с полярным детектором используются лишь в простейших переносных РПрУ из-за их экономичности и простоты.

Детектирование с разделением спектра основано на предварительном разделении звуковой и надзвуковой части спектра ПМК (рис.10.7).

Рис.10.7. Схема детектирования с разделением спектра

При приёме ПМК на нагрузке ПФ с центральной частотой 31,25 кГц и полосой пропускания 30 кГц выделяется колебание с амплитудной модуляцией сигналом US(t). После прохождения сигнала ПМК через ФНЧ на его нагрузке выделяется сигнал звуковых частот UM(t) со спектром 0 …15 кГц. На выходе декодирующей матрицы формируются сигналы стереопары UЛ(t) и UП(t). Схемы таких декодеров отличаются простотой и позволяют получить высокое качество звучания. Недостатком этого метода является необходимость использования сложных ПФ и ФНЧ с согласованными АЧХ и ФЧХ.

При декодировании КСС путём временного разделения каналов цепь ПМК периодически с удвоенной частотой поднесущей частоты переключается со входа одного канала на другой. Принцип работы такого детектора поясняют графики, приведенные на рис.10.8:

Рис.10.8. Графики, поясняющие принцип детектирования КСС

с временным разделением каналов

Достоинством этого метода является возможность непосредственного декодирования КСС без восстановления поднесущей частоты. Недостатком метода является низкая помехозащищённость, объясняемая переносом в область звуковых частот шумов и помех, расположенных за пределами спектра КСС.

В системе с пилот-тоном также формируется КСС. Его спектр (рис.10.9) тоже содержит две части: низкочастотную, представляющую собой сумму Л + П сигналов стереопары, и надтональную - АМ-колебание с полностью подавленной поднесущей частотой.

Рис.10.9. Спектр КСС с пилот-тоном

Поднесущая в данном случае имеет частоту fПН = 38 кГц, модуляция её по амплитуде также осуществляется надтональным (разностным) сигналом Л - П. Чтобы иметь возможность синхронно восстанавливать частоту поднесущей на приёмной стороне системы, в спектр КСС дополнительно введён пилот-тон с частотой 19 кГц. Как и в системе с полярной модуляцией, сигналы Л и П подвергаются частотным предыскажениям не передающей стороне.

В системе с пилот-тоном девиация несущей комплексным стереофоническим сигналом составляет в западно-европейских странах и США ± 75 кГц, в России и ряде стран СНГ соответственно ± 50 кГц.

В системе ЧМ-ЧМ спектр КСС (рис.10.10) также содержит тональную и надтональную части.

Рис.10.10. Спектр КСС в стереосистеме с ЧМ-ЧМ

Отличие от рассмотренных систем заключается в следующем: поднесущая, частота которой равна fПН = 33,5 кГц, модулируется надтональным сигналом

Л - П не по амплитуде, а по частоте. При этом разностный сигнал в передающем тракте компрессируют (сжимают) с последующим его расширением в приёмном тракте. Система с ЧМ-ЧМ обеспечивает высокую помехоустойчивость. Эта система применяется в скандинавских странах и Японии.

10.2 Приём цифровых сигналов

Особенность цифровой формы сигнала в том, что она не только позволяет передавать последовательность импульсов, но и дополнять её другими импульсами, защищающими полезный сигнал от помех, а также обрабатывать по заданной программе. Применение процессоров позволяет обрабатывать цифровой сигнал и получать звуковые и зрительные эффекты, которые невозможно получить при аналоговой форме сигнала.

Цифровое преобразование аналогового сигнала предполагает последовательное выполнение трёх операций: дискретизации, квантования и кодирования.

Технически дискретизация реализуется с помощью генератора тактовых импульсов, для которого период повторения тактовых импульсов ТГТИ = Дt представляет шаг дискретизации Дt. Оптимальная величина интервала дискретизации определяется теоремой академика В.А.Котельникова (теоремой отсчётов).

Смысл теоремы В.А. Котельникова заключается в следующем. Произвольный сигнал, спектр которого ограничен некоторой высшей частотой FВ, может быть полностью восстановлен по последовательности своих отсчётных значений, следующих с интервалом времени

ТГТИ = 1 / 2FB.

Другими словами, частота дискретизации

FД = 1 / TГТИ = 2FB

должна быть не менее чем в два раза больше верхней частоты спектра аналогового сигнала.

Диапазон частот, воспринимаемый слухом человека, лежит в пределах от

20 Гц до 20 кГц. Однако в зависимости от требований, предъявляемых к системе вещания или связи, этот диапазон может ограничиваться. Так, при телефонной связи звуковые сигналы достаточно передавать в полосе частот

300 …3400 Гц, поэтому частота дискретизации телефонного канала выбирается равной FД = 8 кГц. Полоса частот при высококачественном звуковом вещании составляет 30 Гц …15 кГц, при этом частота дискретизации выбрана равной 32 кГц. В лазерных проигрывателях компакт-дисков частота дискретизации составляет 44,1 кГц, а в студиях записи на цифровой магнитофон - 48 кГц.

Для повышения отношения сигнал / шум при малых уровнях входных сигналов при той же разрядности в цифровых РПрУприменяют неравномерное квантование. Устройство, реализующее неравномерное квантование, состоит из компрессора на передающей стороне и экспандера - на приёмной.

На рис.10.11 приведены амплитудные характеристики компрессора и экспандера.

а) б)

Рис.10.11. Амплитудные характеристики компрессора (а) и экспандера (б)

Компрессор имеет нелинейную АХ (рис.10.11,а). Равномерному шагу на выходе компрессора соответствует неравномерный шаг для входного сигнала: чем слабее входной сигнал, тем меньше его шаг. Экспандер включается на приёмной стороне после ЦАП. Амплитудная характеристика экспандера (рис.10.11,б) является обратной функцией АХ компрессора.

Подбирая характеристику компрессии, можно добиться постоянного отношения сигнал / шум в широком динамическом диапазоне входных сигналов. Практически реализовать аналоговый компрессор и экспандер с взаимно-обратными характеристиками с большой точностью сложно. Поэтому в системах кодирования чаще применяют цифровые компрессоры, у которых плавная АХ аналогового компрессора заменяется линейно-ломаной аппроксимацией.

Обобщённая структурная схема системы передачи цифровых сигналов показана на рис. 10.12.

Рис.10.12. Обобщённая структурная схема цифровой системы передачи

сигналов

Аналоговый сигнал перед АЦП пропускают через ФНЧ, ограничивающий его частотную полосу. Ограничение полосы частот аналогового сигнала на входе АЦП необходимо для того, чтобы для любого сигнала на нём выполнялось условие выбора частоты дискретизации FД ? 2FB. Если это условие не будет выполняться (при отсутствии ФНЧ), то спектры дискретизации будут взаимно перекрывать друг друга и адекватно восстановить аналоговый сигнал будет невозможно из-за больших нелинейных искажений.

Операции дискретизации, квантования и кодирования осуществляются в АЦП.

Контрольные вопросы:

Объясните принцип построения и работы стереофонической системы радиопередачи;

Начертите спектр комплексного стереофонического сигнала и поясните его строение;

Какие системы стереофонического вещания вам известны? Чем они отличаются друг от друга?

Начертите полярно-модулированный сигнал и объясните принцип полярной модуляции;

Объясните принцип построения стереофонического радиоприёмника.

Объясните принцип полярного детектирования КСС;

Объясните принцип декодирования КСС с предварительным разделением спектра;

Объясните принцип декодирования КСС путём временного разделения каналов;

Начертите спектр КСС с пилот-тоном и объясните его строение;

Начертите спектр КСС в системе ЧМ-ЧМ и объясните его строение;

Поясните принцип преобразования аналогового сигнала в цифровой;

Объясните смысл теоремы акад. В.А. Котельникова. Как реализуется практически эта теорема в цифровых системах вещания и записи

аудиосигналов?

Расскажите по структурной схеме принцип работы цифровой системы передачи.

 Литература

И.С. Гоноровский Основы радиотехники, Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио, М., 1957.

2. Г.С. Цыкин Усилители электрических сигналов, «Энергия»,

М., 1969.

3. Г.С. Цыкин Усилительные устройства, «Связь», М., 1971.

4. Ю.А. Буланов, С.Н. Усов Усилители и радиоприёмные устройства,

«Высшая школа», М., 1971.

5. Г.Б. Белоцерковский Колебательные контуры и фильтры,

«Судостроение», Л., 1965.

6. О.В.Головин Радиоприёмные устройства, Горячая линия - Телеком,

М., 2004.

7. К.Е. Румянцев Радиоприёмные устройства, Издательский центр

«Академия», М., 2006.

8. В.Д. Екимов, К.М. Павлов Радиоприёмные устройства,

«Связь», М., 1975.

9. Под ред. проф. Н.Н. Фомина Радиоприёмные устройства,

«Радио и связь», М., 2003.

Размещено на Allbest.ru