Характеристики и параметры радиоприемника при односигнальном воздействии

С помощью односигнальных методов оценивают параметры основного и побочных каналов приема, влияющие на эффективность радиоприемников при их работе в линейном режиме. Основной канал приема занимает полосу частот, находящуюся в полосе пропускания приемника и предназначенную для приема полезного радиосигнала. К параметрам основного канала относятся:

• чувствительность,
• динамический диапазон,
• частотная избирательность,
• полоса пропускания,
• коэффициент прямоугольности,
• частота настройки,
• нестабильность частоты гетеродина,
• отношение сигнал/шум на выходе.

Побочные каналы:

• на промежуточной частоте,
• на зеркальной частоте,
• на комбинационных частотах,
• на субгармониках.

Чувствительность радиоприемника характеризует его способность обеспечивать прием полезного радиосигнала на фоне собственных шумов при отсутствии радиопомех и воспроизводить его на выходе с заданным качеством. Количественно этот параметр определяется минимально необходимой мощностью (или ЭДС) сигнала в антенне, при которой обеспечивается номинальное значение напряжения или мощности на выходе приемника, при заданных параметрах модуляции радиосигнала и отношении сигнал/шум на выходе.

Например, при измерении чувствительности вещательных радиоприемников, предназначенных для приема АМ сигналов, глубина модуляции радиосигнала устанавливается равной 30% (коэффициент модуляции m = 0,3 ), а частота модуляции — 1 кГц. При этом мощность выходного сигнала приемника составляет примерно 10% от своего номинального значения

(Р _вых = m ² P _ном 0,1 Р _ном).

Различают пороговую и реальную чувствительность радиоприемника.

Пороговая чувствительность приемника определяется минимальным уровнем радиосигнала на его входе при равных уровнях полезного сигнала и собственных шумов на его выходе, т.е. при отношении сигнал/шум по мощности на выходе

Q _вых = Р _с / Р _ш = 1 (0 дБ).

За порог восприимчивости приемника к помеховым радиоизлучениям в основном канале приема также принимается уровень собственных шумов, т.е. его пороговая чувствительность Р _пор (см. рис. 1).

Реальная чувствительность радиоприемника определяется минимальным уровнем радиосигнала на его входе, при котором обеспечивается номинальная мощность полезного сигнала на его выходе и заданное превышение уровня мощности сигнала над уровнем шумов, т.е. отношение сигнал/шум на выходе должно быть Q _вых = Р _с / Р _ш 1.

Например, для вещательных АМ приемников в диапазонах ДВ, СВ и КВ выходное отношение сигнал/шум должно быть не менее

20 дБ, а в диапазоне УКВпри частотной модуляции несущей — не ниже 50 дБ.

Реальная чувствительность приемника, ограниченная его собственными шумами, может быть рассчитана по формуле

P _{с мин} = k _Б Т _o В _ш (T _a / T _o + N _ш – 1) Q _вых, (1)

где k _Б = 1,38·10^–23 — постоянная Больцмана, Дж/К;

Т _o — абсолютная температура окружающей среды, К;

Т _а — эффективная шумовая температура антенны, К;

В _ш — ширина эффективной полосы шумов приемника, Гц;

N _ш — коэффициент шума приемника;

Q _вых – требуемое отношение сигнал/шум на выходе.

В диапазоне 30…120 МГц при комнатной температуре

(T o = 293 К) отношение T a / T o = 1,8*10⁶/ f ³, где f в мегагерцах.

На более высоких частотах (f > 120 МГц) отношение T _a / T _o 1. В этом случае реальная чувствительность

Р _{c мин} = k _Б T _o B _ш N _ш Q _вых, (2)

а пороговая чувствительность (и порог восприимчивости)

P _{с пор} = k _Б T _o B _ш N _ш. (3)

Чувствительность приемников в зависимости от их назначения изменяется в широких пределах.

Например, чувствительность радиовещательных АМ приемников (при отношении сигнал/шум на выходе не менее 20 дБ) находятся в пределах 50…300 мкВ в зависимости от их класса качества, а в диапазоне УКВ — 2…15 мкВ.

Мерой линейности основного канала приема в отсутствие радиопомех является его динамический диап азон D _ок, численно равный отношению максимальной амплитуды радиосигнала Е _макс (f _о) на входе приемника, при которой нелинейные искажения К _ни равны допустимому значению, к его минимальной амплитуде Е _мин(f _о) при которой отношение сигнал/шум (Q _вых) на выходе равно заданной величине:

D _ок(f _о) = Е _макс (f _о)/ Е _мин(f _о) при К _ни, Q _вых = const.

Динамический диапазон характеризует допустимые пределы изменения амплитуды входного радиосигнала, внутри которых обеспечивается требуемое качество выходного сигнала. Максимальная амплитуда сигнала ограничивается сверху нелинейностью вольтамперной характеристики активных элементов (диодов, транзисторов и др.) усилительных и преобразовательных каскадов приемника. Минимальная амплитуда входного радиосигнала ограничивается снизу уровнем собственных шумов приемника, т.е. его чувствительностью. Динамический диапазон приемников зависит от их назначения и класса и может иметь значение 100…120 дБ и более.

Частотная избирательность радиоприемника обеспечивает возможность выделения полезного сигнала на фоне помеховых радиоизлучений благодаря различиям в их спектральных характеристиках. График односигнальной частотной избирательности (рис. 2) характеризует способность приемника ослаблять действие помехи в зависимости от величины отклонения ее частоты Δ f по отношению к частоте настройки приемника

(к частоте сигнала) f о. На графике по оси абсцисс откладывают величину расстройки (Δf), а по оси ординат — величину ослабления S (Δ f), дБ,

S (Δ f) = 20 lg[ K (f о) / K (Δ f)], (4)

где K (f _о), K (Δ f) — коэффициенты усиления приемника на частоте настройки (f о) и при расстройке на (Δ f).

Рис. 2. Характеристика частотной избирательности приемника

Основной канал приема РПУ. Полоса пропускания приемника по основному каналу В ₃ ограничена двумя частотами (f ₁ и f ₂ на рис. 2), на которых ослабление уровня сигнала равно 3 дБ. Ширину полосы пропускания В₃ обычно выбирают равной необходимой ширине частот Вн с учетом допустимого отклонения частоты радиолинии Δf_рл в обе стороны от присвоенной частоты:

B ₃ = B н + 2Δ f _рл, (5)

где величина частотного рассогласования

Δ f _рл = Δ f _пр + Δ f _пд (6)

зависит от нестабильности частот настройки передатчика f _пд и приемника f _пр.

Идеальная характеристика избирательности, в отличие от показанной на рис. 2, должна быть прямоугольной. При такой форме характеристики составляющие спектра сигнала в пределах полосы пропускания В ₃ поступают на выход приемника без искажений и ослабления (S = 0 дБ), а шумы и помехи за пределами полосы полностью подавляются (S = ). Представление о степени близости реальной (рис. 2) и идеальной прямоугольной характеристик избирательности дает коэффициент прямоугольности К_Х, равный отношению ширины полосы частот В_Х на уровне Х дБ, к ширине полосы пропускания В₃ на уровне 3 дБ:

К_Х = В_Х / В ₃. (7)

Для радиовещательных приемников Х = 60 дБ, для приемников фиксированной службы X = 30 дБ. У идеальной характеристики избирательности коэффициент прямоугольности К_Х = 1. В реальных приемниках избирательность считается хорошей при К₆₀ = 2…4 и плохой при K ₆₀ 8.

Недостаточная крутизна склонов характеристики избирательности приемника является причиной появления в основном канале приема помех от радиопередатчиков, работающих на частотах соседних каналов, смещенных на величину Δ f _cк относительно частоты основного канала f ₀. На рис. 2 пунктирной линией показана характеристика избирательности одного из соседних каналов на частоте f _ск.

Величина ослабления помех, проникающих из соседних каналов, нормируются. При АМ вещании в диапазоне ДВ, СВ несущие соседних по частоте каналов разнесены на 9 кГц, что соответствует ширине необходимой полосы частоты В_н с учетом допустимого отклонения присвоенной частоты в обе стороны от ее номинального значения.

Установленные для бытовых радиовещательных приемников нормы требуют, чтобы односигнальная избирательность по соседнему каналу, определяющая ослабление помехи, при расстройке Δf_ск = 9 кГц составляла не менее 26…56 дБ в зависимости от класса приемника.

Математическая модель характеристики частотной избирательности может быть представлена в виде кусочно-линейной функции от логарифма расстройки по частоте:

S (Δ f) = S (f_i) + V_i lg(Δ f /Δ f_i) для Δ f_i < Δ f < Δ f_{i + 1}, (18)

Где S (Δ f) — величина ослабления сигнала при расстройке на Δ f относительно центральной частоты УПЧ, дБ;

Δ f_i, Δ f_{i +1} — расстройка в начале и в конце i -го участка аппроксимации характеристики избирательности, Гц;

V_i — наклон i -го участка характеристики избирательности, дБ/дек,

V_i = [ S (Δ f_{i + 1}) – S (Δ f_i)]/ lg(Δ f_{i +1}/Δ f_i). (19)

В случае, если известны (или измерены) полосы частот на уровнях 3, Х и 60 дБ (В₃, В_Х, В₆₀ на рис. 2), модель характеристики избирательности приемника включает три участка линейной аппроксимации (0, 1, 2), показанные на рис. 3

Наклон характеристики на участках 1 и 2 описывается выражениями:

V ₁ = S (0,5 B ₃)/ lg (B_X / B ₃) = X / lg K_X;

V ₂ = [ S (0,5 B ₆₀) – S (0,5 B_X)]/lg(B ₆₀/ B_X) = (60 – Х) lg[ K ₆₀/ K_X ], (20)

где K_X и K ₆₀ — коэффициенты прямоугольности характеристики избирательности.

В случае, если известен коэффициент прямоугольности характеристики К ₆₀, ее модель состоит из двух участков аппроксимации (0 и 3 на рис. 3) и с учетом формул (18), (19), (20) может быть представлена в виде

S(∆f) = (21)

Рис. 3 Аппроксимация характеристики частотной избирательности приемника

Например, для модели характеристики избирательности радиовещательного АМ приемника с полосой пропускания 9 кГц и коэффициентом прямоугольности К₆₀ = 5 из (21) получаем

0 при

S(∆f)= (22)

86lg(∆f/4.5) при

Расчеты по (22) ослабления помех, смещенных по частоте относительно несущей на 9 кГц (помеха по соседнему каналу) или 15 кГц, дают значения, равные соответственно 26 и 44,7 дБ.

Если коэффициенты прямоугольности не известны, то принято использовать аппроксимацию характеристики избирательности с наклоном V = 100 дБ/дек, показанную на рис. 3 линией 4.

При этом К₆₀ = 4, К₂₀ = (К60)^1/3 = 1,6. Уравнение характеристики 4 имеет вид

S[Δf ] = 100lg[f /4,5]/lg K₆₀ = 166 lg(f /4,5) при | Δf | 4,5 кГц.

В этом случае ослабление помеховых сигналов, расстроенных относительно частоты настройки приемника на 9 и 15 кГц, составят соответственно 33 и 86 дБ.

Вопросы для самоконтроля:

1. Дайте определение побочным каналам приема и охарактеризуйте их роль в оптимальном использовании РЧС с точки зрения ЭМС.

2. Дайте определение максимальной и реальной чувствительности приемника. Проиллюстрируйте ответ рисунком.

3. Дайте определение и поясните с помощью рисунка понятие избирательности (односигнальной) по соседнему каналу.

4. Дайте определение и поясните с помощью рисунка понятие избирательности (односигнальной) по зеркальному каналу.

5. Пояснить, что является причиной появления в основном канале приема помех от радиопередатчиков, работающих на частотах соседних каналов приема?

6. Из каких условий выбирают ширину полосы пропускания В₃?

7. Пояснить сущность реальной и пороговой чувствительности приемного тракта. Что они характеризуют?

8. Какие характеристика приемного тракта влияют на эффективность использования РЧС?

9. Чем определяется разнос несущих частот соседних по частоте каналов приема?

Решение задач:

Задача 1. Радиовещательный АМ приемник имеет полосу пропускания 9кГц и коэффициент прямоугольности К₆₀=5. Определить ослабление помех, смещенных по частоте относительно несущей на 9 кГц (помеха по соседнему каналу) или 15 кГц.

Решение:

Из уравнения (21) получаем

0 при

S(∆f)= (22)

86lg(∆f/4.5) при

Расчеты по (22) ослабления помех, смещенных по частоте относительно несущей на 9 кГц (помеха по соседнему каналу) или 15 кГц, дают значения, равные соответственно 26 и 44,7 дБ.

Задача 2 Радиовещательный АМ приемник имеет полосу пропускания 9кГц.

Определить ослабление помех, смещенных по частоте относительно несущей на 9 кГц (помеха по соседнему каналу) или 15 кГц.

Решение:

Если коэффициенты прямоугольности не известны, то принято использовать аппроксимацию характеристики избирательности с наклоном V = 100 дБ/дек, При этом К₆₀ = 4, К₂₀ = (К60)^1/3 = 1,6. Уравнение характеристики 4 имеет вид

S[Δf ] = 100lg[f /4,5]/lg K₆₀ = 166 lg(f /4,5) при | Δf | 4,5 кГц.

В этом случае ослабление помеховых сигналов, расстроенных относительно частоты настройки приемника на 9 и 15 кГц, составят соответственно 33 и 86 дБ.