РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ РАДИОПРИЕМА.

следующий  раздел>>

Тема 1.1. Назначение и классификация радиоприемных устройств.

Радиоприемное устройство является частью системы передачи сообщений, использующей для этого энергию радиоволн. Предназначено оно для воспроизведения передаваемого сообщения с заданной степенью точности. Радиоприемное устройство состоит из трех основных частей:

Антенна преобразует энергию электромагнитного поля в энергию электрического тока высокой частоты. Антенна принимает все сигналы: и полезные и сигналы помех. Помехами являются все посторонние сигналы как от других передающих устройств, так и грозовые сигналы, космические излучения, помехи от электродвигателей, промышленные помехи и т.д.

Собственно радиоприемное устройство отделяет полезный сигнал от помех, усиливает его, преобразует в вид, необходимый для приведение в действие воспроизводящего устройства.

Воспроизводящее устройство преобразует электрический сигнал в сообщение. Воспроизводящих (или оконечных) устройств у одного радиоприемного устройства может быть несколько, если радиоприемное устройство предназначено для приема многоканального сигнала. В ряде случаев одно сообщение может приниматься радиоприемным устройством, состоящем из нескольких антенн и радиоприемников и одного воспроизводящего устройства.

Рассмотрим четыре основных функции радиоприемного устройства:

Выделение сигнала из помех называется избирательностью или селективностью приемника. Избирательность осуществляется благодаря различию свойств принимаемого сигнала и помех. Эти различия могут быть в направлении прихода в точку приема, во времени действия, по частоте, амплитуде или фазе принимаемого сигнала и ряду других характеристик. Основной вид избирательности - частотная, использующая различие по частоте сигнала и помехи. Частотной избирательностью называют способность радиоприемного устройства выделить спектр радиосигнала из всего спектра электромагнитных колебаний, действующих на его входе. Осуществляется она главным образом в приемнике. Для этого используются фильтры с наибольшим коэффициентом передачи в полосе пропускания. Радиоприемное устройство будет принимать тот сигнал, на частоту которого настроен фильтр.

Усиление сигнала необходимо потому, что сигнал поступающий на антенну очень мал по амплитуде и проводить с ним какие-либо преобразования технически очень сложно, так как каждый элемент схемы вносит соответствующие затухание.

Преобразование радиосигнала в электрический, соответствующий модулирующему, называется детектированием. Осуществляется оно с помощью устройства, называемого детектором. Для детектирования на вход детектора необходимо подать сигнал определенной величины и свободный от помех. Для этого служат усилители.

Усилители включаются так же и после детектора, чтобы довести мощность сигнала до необходимой для нормального срабатывания воспроизводящего устройства. Кроме того существуют различные устройства позволяющие подключать к радиоприемному устройству любое оконечное оборудование, от обычного динамика, до компьютера.

Исходя из вышеизложенного представляется возможным провести классификацию приемников.

По назначению:

По рабочему диапазону частот:

Звуковое вещание осуществляется в диапазонах ДВ, СВ, КВ, УКВ и ДМВ.

По виду принимаемых сигналов:

По роду принимаемой информации приемники разделяют на:

По месту установки приемники делятся на:

По способу управления и коммутации различают приемники:

По виду питания различают:

Практика показывает, что оценить качество выполняемых функций приемника возможно по электрическими параметрам приемника, таким как чувствительность, избирательность, частотная точность, диапазон рабочих частот, динамический диапазон и выходная мощность.

Чувствительностью называют способность приемника обеспечить нормальную работу воспроизводящего устройства при наименьшем сигнале в антенне или на входе приемника. Чувствительность оценивают наименьшей величиной ЭДС радиосигнала или его номинальной мощностью в антенне. Чем меньше эти величины, тем выше чувствительность. Количественно чувствительность выражается в микровольтах или в микроваттах.

Избирательностью называют степень ослабления помехи, отличающейся по частоте от полезного сигнала. Избирательность зависит от формы амплитудно- частотной характеристики радиоприемника, то есть от зависимости коэффициента усиления от частоты входного сигнала при постоянной настройке приемника. Количественно избирательность оценивается коэффициентом избирательности, который показывает во сколько раз по сравнению с сигналом ослабляется равная ему по величине помеха при заданной расстройке.

Частотная точность - это величина, определяющая возможность вхождения в связь в установленное время без поиска сигнала корреспондента, а так же ведения связи без подстройки приемника при сохранении заданного качества воспроизведения сообщения в течении всего сеанса связи. частотная точность как показатель - это разность между частотой настройки приемника и частотой принимаемого сигнала. Нестабильность настройки приемника во время работы оценивается изменением частоты настройки за определенный промежуток времени, то есть практически это стабильность работы приемника. Количественно оценивается коэффициентом расстройки.

Диапазон рабочих частот – это та область рабочих частот, в пределах которой радиоприемное устройство может плавно или скачком перестраиваться с одной частоты на другую без существенного изменения качества воспроизведения сигнала.

Динамический диапазон частот - это пределы , в которых изменяется величина входного сигнала. Динамический диапазон сигналов оценивается отношением наибольшего сигнала к наименьшему по мощности или напряжению. Обычно динамический диапазон выражают в децибелах. Желательно, чтобы динамический диапазон укладывался в линейный участок АЧХ приемника. В противном случае возникают искажения сигнала и снижение избирательности приемника.

Выходной мощностью приемника называют мощность, подводимую к воспроизводящему устройству. Величина выходной мощности должна соответствовать номинальной для данного типа воспроизводящего устройства и может быть от нескольких ватт до долей ватта.

Таким образом, данные параметры могут служить оценкой качества радиоприемного устройства

 

Тема 1.2. Структурные схемы радиоприемников.

1. Детекторный радиоприемник .

Простейший радиоприемник представляет собой устройство состоящее из антенны, колебательного контура и детектора сигналов высокой частоты . Сигнал попадая на антенну , выделяется колебательным контуром, то есть осуществляется функция избирательности и детектируется, то есть из сигнала высокой частоты выделяется низкочастотная составляющая и , таким образом сообщение попадает на оконечное устройство. Естественно, такие приемники в настоящее время не применяются.

2. Радиоприемник прямого усиления.

В радиоприемнике прямого усиления реализована идея усиления сигнал высокой частоты и низкочастотного сигнала с помощью усилителей. Радиоприемник состоит из антенны, входного устройства, усилителя высокой частоты , детектора, усилителя низкой частоты и воспроизводящего устройства. Усилитель высокой частоты предназначался для усиления сигналов принимаемых антенной и для ослабления помех частота которых отличалась от частоты сигнала. Это достигалось с помощью резонансного контура, который включался в анодную цепь лампы в качестве нагрузки. Таким образом избирательность радиоприемника повышалась. Сигнал низкой частоты после детектора усиливался усилителем низкой частоты , что позволяло осуществлять более уверенный прием и использовать пишущее оконечное устройство . поскольку усиление сигнала от антенны до детектора осуществлялось на одной и той же частоте, то такой радиоприемник назвали радиоприемником прямого усиления. Свойства радиоприемников прямого усиления в дальнейшем улучшались применением регенераторов и сверхрегенераторов, то есть каскадов, в которых за счет положительной обратной связи компенсировались потери в резонансном контуре. Однако регенератор работал в режиме, близком к самовозбуждению и был очень неустойчив в работе и не обеспечивал высокого качества сигнала. Сверхрегенеративный каскад отличался тем, что эквивалентное затухание контура менялось периодически с некоторой частотой, близкой к частоте модуляции. Он отличается высокой чувствительностью, хорошей стабильностью работы при достаточной избирательности и лучшем качестве воспроизведения сигнала. Поэтому долгое время радиоприемники прямого усиления долгое время оставались основным типом радиоприемников. Однако радиоприемники прямого усиления не обеспечивали высокой чувствительности, так как при больших рабочих усилениях возбуждались. Перекрытие рабочего частотного диапазона частот в таких приемниках должно осуществляться несколькими перестраиваемыми контурами, что сопровождается сильным изменением формы резонансной характеристики и коэффициента усиления.

3. Супергетеродинный радиоприемник .

Радиоприемник, использующий супергетеродинный метод приема отличается от радиоприемника прямого усиления наличием преобразователя частоты. Структурная схема содержит следующие элементы: антенна, усилитель радиочастоты /УВЧ / преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, детектор, усилитель низкой частоты и оконечное устройство .

Преобразователь частоты состоит из смесителя и гетеродина. Гетеродин - это маломощный генератор, вырабатывающий частоту fг. На вход смесителя подается напряжение частоты сигнала fс и напряжение с выхода гетеродина fг. В результате взаимодействия двух этих частот на выходе смесителя появляется сигнал , содержащий множество комбинационных составляющих, в то числе и составляющую, частота которой равна разности двух этих частот fс-fг. Величина этой разности может быть выше или ниже частоты сигнала, но обязательно выше частоты модуляции, поэтому ее называют промежуточной. Таким образом, можно записать:

fпр.с=fг-fс при fг>fc

fпр.с=fc-fг при fг<fc

На промежуточную частоту настроена резонансная система, включенная в выходную цепь смесителя, что позволяет при соответствующей полосе пропускания выделить напряжение сигнала на промежуточной частоте. Следовательно, назначение преобразователя - преобразование частоты радиосигнала в другую промежуточную частоту с сохранением закона модуляции. В случае работы радиоприемника в диапазоне частот перестраиваются только избирательные цепи тракта радиочастоты и изменяется частота гетеродина так, чтобы разность их настройки всегда была равна выбранной промежуточной частоте. Следует подчеркнуть, что настройка радиоприемника на частоту принимаемого сигнала определяется, прежде всего, настройкой гетеродина. Входные контуры и контуры усилителя высокой частоты могут быть не перестраиваемыми, но с полосой пропускания, равной диапазону рабочих частот.

Усилитель , который усиливает сигнал на промежуточной частоте, получил название усилителя промежуточной частоты. Таким образом, в супергетеродинном радиоприемнике усиление и выделение радиосигнала осуществляется на трех частотах: на радиочастоте, промежуточной частоте и частоте модуляции / низкой частоте/.

Соответственно участки радиоприемника , на которых происходит соответствующее усиление, называют трактом радиочастоты, промежуточной частоты и низкой частоты . Постоянство промежуточной частоты позволяет использовать в усилителе промежуточной частоты сложные избирательные системы, имеющие частотную характеристику, весьма близкую по форме к прямоугольной.

Супергетеродинный метод приема по сей день остается основным, так как он позволяет обеспечить устойчивый прием весьма слабых сигналов в условиях интенсивных помех. Сверхминиатюризация элементной базы не изменила основного принципа построения структурной схемы супергетеродинного радиоприемника, хотя он может представлять собой очень сложное устройство, в котором производится не одно а несколько преобразований частоты сигнала.

Наряду с достоинствами супергетеродинный метод приема имеет существенные недостатки. Наиболее серьезный из них - так называемые побочные каналы приема. В радиоприемнике прямого усиления основными источниками помех служат соседние по частоте станции. Побочные каналы приема создаются в супергетеродинном приемнике в процессе преобразования частоты. Так, один из таких каналов, наиболее опасный, образуется следующим образом. На входе радиоприемника всегда действует множество сигналов различных частот, среди которых может оказаться частота, удовлетворяющая условию формирования промежуточной частоты. Причем, если в радиоприемнике принято условие fг>fс, то частота побочного канала fзк>fг . относительное расположение частот для этого случая показано на рисунке.

Как видно, частота канала fзк всегда отстоит от частоты принимаемого сигнала на расстояние двух промежуточных частот, т.е. fзк-fс= ± D fзк = ± fпрс. Частота fзк отстоит от частоты гетеродина fг на такое же расстояние, что и частота принимаемого сигнала fс. Поэтому канал , по которому проникает помеха на частоте fзк, называют симметричным или зеркальным. Для случая fг<fс частоты fс и fзк поменяются местами.

Второй побочный канал приема, по которому может проникать специфическая для супергетеродинного приема помеха, возникает на частоте, равной промежуточной fпрс. Поскольку фильтр, включенный в выходную цепь смесителя, настроен на промежуточную частоту, смеситель для сигналов, у которых fс = fпрс, является усилителем. Эту помеху называют помехой прямого прохождения.

Для того, чтобы уменьшить помеху прямого прохождения и помеху по зеркальному каналу, как и других побочных каналов, необходимо их ослабить до попадания на вход преобразователя. Эта задача выполняется резонансными контурами тракта радиочастоты, который часто называют преселектором (предварительным селектором).

Итак в структурную схему супергетеродинного радиоприемника входят следующие элементы:

Тема 1.3. Основные электрические параметры РПУ.

Основные электрические параметры РПУ :

Диапазон рабочих частот

Это та область рабочих частот, в которой РПУ может плавно или скачком перестраиваться с одной частоты на другую. При плавной перестройке задается Fo min и

Fo max , то есть нижняя и верхняя границы диапазона. Относительною ширину диапазона характеризует коэффициент перекрытия Кд :

Кд = Fo max / Fo min

Для обеспечения большего Кд, Диапазон разбивают на части – поддиапазоны и определяют коэффициент перекрытия по поддиапазону:

Кдиап = Fдиап max / Fдиап min

Коэффициент перекрытия по поддиапазону ограничен конструкцией конденсатора переменной емкости у которого Cmax / Cmin = 25...50 и при этом

С учётом паразитных емкостей, которые увеличивают Сmin , коэффициент перекрытия обычно принимают равным 2...3, причем , чем выше частота принимаемого сигнала, тем меньше коэффициент перекрытия.

Чуствительность

Это способность РПУ обеспечить нормальную работу при наименьшем уровне сигнала на входе :

Зная напряженность поля в точке приема Еп и действующую высоту магнитной антенны hд можно вычислить теоретическую чуствительность РПУ, то есть ЭДС сигнала в антенне:

Еа = Еп*hд

Однако теоретическая чуствительность РПУ снижается из-за влияния собственных шумов РПУ, ширины полосы пропускания, вида принимаемого сигнала, нелинейных явлений в каскадах. Поэтому, для оценки качества РПУ пользуются понятиями Реальная чуствительность и Предельная чуствительность.

Реальная чуствительность – это наименьшая ЭДС сигнала в антенне, при которой обеспечивается нормальная выходная мощность при заданном соотношении сигнал/шум.

Нормальная выходная мощность – 10% от номинальной мощности сигнала на выходе приемника. Заданное соотношение сигнал/шум определяется видом принимаемого сигнала.

Например, соотношение мощности сигнала к мощности шума для РПУ:

Реальная чуствительность зависит от режима работы детектора, субъективных свойств оператора (“глухой” радист) и неудобна с практической точки зрения для оценки РПУ с различными трактами, поэтому для оценки РПУ используют величину Предельной чуствительности – наименьшую ЭДС в антенне при соотношении сигнал/шум = 1.

Избирательность

Это степень ослабления помехи, отличающейся по частоте от принимаемого сигнала. Избирательность зависит от формы АЧХ РПУ (или от формы резонансной характеристики). Резонансная характеристика – это зависимость коэффициента усиления от частоты входного сигнала при постоянной настройке РПУ. На разных частотах коэффициент усиления не одинаков. Если настроить резонансные контура РПУ на частоту Fо – то РПУ будет принимать сигнал, несущая частота которого равна Fо. Коэффициент усиления Fо на этой частоте максимален и называется резонансным. При этом на выходе РПУ сигнал имеет максимальную величину. Величина других сигналов будет меньше. Таким образом сигналы с другими частотами будут ослаблены, то есть принимаемый сигнал будет выделен. Так осуществляется процесс избирательности. Количественно избирательность оценивается коэффициентом избирательности:

s и = Ко/КD f (1),

где КD f – коэффициент усиления на частоте f, отличающейся от частоты fо на величину абсолютной расстройки | D f| = f – fo.

Таким образом избирательность показывает во сколько раз по сравнению с сигналом ослабляется равная ему по величине помеха при заданной расстройке.

С помощью резонансной характеристики и формулы (1) можно построить характеристику избирательности, которая показывает зависимость ослабления помех при изменении расстройки при:

D f = 0, KD f = Ko и s и = 1.

Это означает, что помеха, частота которой равна частоте принимаемого сигнала не ослабляется. С увеличением расстройки от D f1 до D f2 избирательность увеличивается от s и1 до s и2. Избирательность обычно выражается в децибелах (дБ).

s и(дБ) = 20*lg (s и)

Это означает, что если s и = 20 дБ, то помеха ослабляется в 10 раз. Если выразить в дБ коэффициент усиления, то

К(дБ) = 20*lg К

В этом случае:

s и(дБ) = Ко(дБ) - КD f(дБ)

На рисунке представлена характеристика односигнальной избирательности, то есть ее измерение проводилось при подаче на вход РПУ только одного сигнала с Uс = const и переменной частотой. Реально на входе РПУ одновременно действует много сигналов с различными частотами и амплитудами. Одновременное действие сигнала и помехи на входе элементов с нелинейными характеристиками проявляется как :

В результате :

Реально односигнальная избирательность не позволяет судить о помехозащищенности приемника. Для этого обычно используется характеристика эффективной избирательности. Эффективная избирательность – это способность РПУ различать сигнал на частоте настройки и помехи с частотой за пределами полосы пропускания, уровни которых таковы, что они создают нелинейные эффекты, при одновременном действии сигнала и помехи.

Частотная точность настройки и ее стабильность.

Частотная точность определяет возможность вхождения в связь в установленное время без поиска сигнала корреспондента, а так же ведение связи без подстройки приемника при сохранении заданного качества воспроизведения сообщения в течении всего сеанса связи. Частотная точность как показатель – это разность между частотой настройки приемника и частотой принимаемого сигнала. Для характеристики частотной точности используют так же величину относительной расстройки, представляющую собой отношение разности между частотами сигнала и настройки приемника к частоте сигнала :

Нестабильность настройки РПУ во время работы оценивается изменением частоты настройки за определенный промежуток времени. Например при нестабильности 10¢ , где t = -8, уход частоты за сутки составит fо/10¢ , где t = 8. Например, при частоте 30 МГц уход составит 0,3 Гц в сутки.

Динамический диапазон.

Изменение амплитуд сигналов и помех в реальных условиях может достигать 80 дБ и более из-за влияния замираний, при изменении расстояния объектами (приемником и передатчиком). Пределы, в которых изменяется величина сигнала на входе РПУ, называется динамическим диапазоном.

Количественной оценкой динамического диапазона является коэффициент, называемый “динамический диапазон”:

Увеличение величины входного сигнала приводит к перегрузке ТРЧ (тракта радиочастоты), снижению избирательности, так как ТРЧ начинает работать в нелинейном режиме и при усилении сигнала в этом случае появляются комбинационные составляющие. Избежать этого можно, если отрегулировать динамический диапазон в пределах линейного участка динамической характеристики РПУ. Для количественной оценки линейности динамического диапазона вводят понятие Рабочего Динамического Диапазона:

Где: Еа п – предельная чуствительность РПУ

Ea max доп - максимально допустимая ЭДС сигнала на входе РПУ.

Очевидно, что рабочий динамический диапазон Dp должен быть больше или равен Dc. Для этого в РПУ применяют АРУ и РРУ (Автоматическую и Ручную Регулировку Усиления), что позволяет уменьшить пределы изменения выходной мощности РПУ.

Выходная мощность

Это мощность, подводимая с выхода РПУ ко входу оконечного устройства. Выходная мощность Рвых должна быть номинальной для данного конкретного типа оконечного устройства ОУ и колеблется от долей ватта до нескольких ватт. Различают нормальную и номинальную выходную мощность.

Номинальная выходная мощность – это наибольшая выходная мощность, при которой возникающие нелинейные искажения не превышают заданной величины. Номинальная выходная мощность соответствует 100% модуляции принимаемого сигнала. Нормальная выходная мощность соответствует 10% от номинальной, 30% модуляции сигнала и подводится к оконечному устройству при измерении характеристик РПУ.

Конструктивно-эксплуатационные характеристики РПУ.

Конструктивно-эксплуатационные характеристики РПУ включают в себя :

Стабильность – характеризует способность РПУ сохранять в процессе эксплуатации основные параметры в допустимых пределах при колебаниях напряжения питания, температуры, влажности, атмосферного давления, при химическом и радиоактивном воздействии. Особое значение придается точности установки частоты настройки и стабильности коэффициента усиления.

Точность установки частоты характеризуется погрешностью D fу установки, с которой РПУ может быть настроено при отсутствии входного сигнала Uс. Установка частоты может производиться по цифровой шкале или обычной : открытой, закрытой, визирной , оптической, непрерывной или дискретной.

Допустимая ошибка определяется нестабильностью гетеродина, которая может достигать от 10-1 до 10-8 в сутки в зависимости от метода стабилизации :

Для стабильности коэффициента усиления требования не столь жесткие. При проектировании коэффициент усиления выбирают в 1,5 ¸ 2 раза больше обычного, а затем излишек устраняют с помощью автоматических и ручных регулировок усиления. Стабильность Кус достигается применением ООС ( отрицательной обратной связи), калибровкой, стабилизацией питания.

Эргономичность – совокупность свойств, обеспечивающих динамическое взаимодействие с человеком-оператором. Оценивается показателями, характеризующими влияние на работу РПУ таких факторов, как :

Надежность – механическая и электрическая прочность устройства. Оценивается выработкой на отказ. Для магистральных РПУ может достигать тысячи часов при изменении температуры от -10 до +50 градусов Цельсия.

Ремонтопригодность – оценивается удобством доступа к отдельным блокам и элементам для проверки у замены.

Энергетическая экономичность – определяется потребляемой мощностью. Зависит от элементной базы РПУ и типа подключаемого оконечного устройства.

Питание – может осуществляться от батареи или аккумулятора, от сети переменного тока или быть универсальным (батарея/сеть).

Массогабаритные показатели – зависят от назначения РПУ и его класса. Магистральные РПУ II и III класса в зависимости от элементной базы при объеме от 15 до 90 кубических дециметров имеют массу 40-60 кГ, а I класса при объеме от 30 до 720 кубических дециметров имеют массу от 15 до 370 кГ.

Обеспечить оптимальность всех показателей не представляется возможным, поэтому при проектировании РПУ приходят к компромиссу, оптимизируя некоторые показатели в зависимости от конкретного назначения РПУ. Этот процесс называется локальной оптимизацией.

следующий  раздел>>



Используются технологии uCoz