Вопрос №1. Идея супергетеродинного приемника заключается в переходе от высокой и переменной частоты принимаемого радиосигнала к низкой и постоянной промежуточной

ФИЛЬТРЫ ОСНОВНОЙ СЕЛЕКЦИИ

ЛЕКЦИЯ №18

Идея супергетеродинного приемника заключается в переходе от высокой и переменной частоты принимаемого радиосигнала к низкой и постоянной промежуточной частоте. На более низкой частоте происходит стабильное усиление (см. лекцию №16). На постоянной частоте можно создать сложную избирательную систему, которую не надо перестраивать и которая может обеспечить форму характеристики избирательности, близкую к идеальной. Это способствует обеспечению высокой избирательности по соседнему каналу.

Фильтры основной селекции

Для обеспечения высокой избирательности по соседнему каналу в усилителе промежуточных частот (УПЧ) применяются сложные избирательные системы − фильтры сосредоточенной селекции (ФСС), которые еще называются фильтрами сосредоточенной избирательности (ФСИ) и фильтрами основной селекции (ФОС). Применение ФОС позволяет получить при небольшом числе каскадов частотную характеристику УПЧ, близкую к прямоугольной, обеспечивая тем самым высокую избирательность при равномерном усилении принимаемого сигнала в заданной полосе пропускания.

ФОС в радиоприемных устройствах размещаются большей частью между преобразователем частоты и первым каскадом УПЧ (являются нагрузкой ПЧ) (например, в блоке Б2-4 Р-680), или входят в состав первых каскадов УПЧ. При этом каскады с ФОС обеспечивают основную избирательность, а остальные каскады тракта УПЧ служат для получения требуемого усиления.

Чтобы не ухудшалась форма результирующей частотной характеристики тракта УПЧ, полоса пропускания каскадов УПЧ, обеспечивающей основное усиление, должна быть более широкой, чем в ФОС. Поэтому эти каскады выполняются, как правило, одноконтурными широкополосными или апериодическими. Такое сосредоточение избирательности в одном-двух каскадах УПЧ обеспечивает бóльшую устойчивость формы частотной характеристики тракта при изменении температуры и режима питания.

Существует несколько разновидностей ФОС: электрические, электромеханические, пьезоэлектрические, пьезомеханические.

Электрические ФОС. Эти типы ФОС состоят из нескольких 2-х контурных полосовых LC-звеньев, соединенных последовательно.

Электромеханические фильтры (ЭМФ). В этих фильтрах используется система связанных механических резонаторов, а принцип работы основан на эффекте магнитострикции. Полоса пропускания ЭМФ может быть в пределах от десятков Гц до десятков кГц; резонансная частота − до единиц мГц; избирательность ЭМФ составляет более 60дБ.

Основные недостатки ЭМФ:

1. Сложность исполнения.

2. Высокая стоимость.

3. Неравномерность коэффициента передачи в полосе пропускания.

4. Ограниченность рабочего диапазона.

5. Большое затухание.

Достоинства ЭМФ:

1. Малые геометрические размеры (меньше LC-фильтров).

2. Высокая избирательность.

3. Сравнительно высокая стабильность параметров к изменению температуры и механическим воздействиям.

4. Достаточная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам (лучше, чем у кварцевого фильтра).

Пьезоэлектрические (ПЭФ). В них используются кристаллы кварца, турмалина, винокислого калия и т.п., обладающие пьезоэлектрическим эффектом. Такие фильтры иногда называются кварцевыми. В большинстве практических схем каскадов УПЧ с узкополосными фильтрами используется кварцевый резонатор, который характеризуется высокой стабильностью частоты.

Достоинства ПЭФ:

1. Высокая стабильность их характеристик.

2. Широкий диапазон частот.

3. Температурная стабильность.

4. Высокая добротность кварцевых резонаторов.

Недостатки ПЭФ:

1. Сложность производства.

2. Высокая стоимость.

3. Бóльшие по сравнению с ЭМФ размеры.

4. Невысокая механическаяпрочность.

Пьезокерамические и пьезомеханические фильтры (ПКФ и ПМФ). Резонаторы изготавливаются из искусственных пьезокерамических материалов, обладающих сильно выраженными пьезоэлектрическими свойствами. ПКФ и ПМФ являются многозвенными. В ПКФ резонаторы выполняются в виде прямоугольных брусков, колец или дисков. Число звеньев определяется требуемой избирательностью. ПКФ находят широкое применение в массовых радиовещательных приемниках.

Достоинства ПКФ:

1. Малый размер и масса.

2. Сравнительно низкая стоимость (из-за простоты исполнения).

3. Возможность получения относительно широкой полосы пропускания при высокой избирательности.

Достоинства ПМФ:

1. Малые габариты (L=10 и 18 мм; Д=8мм).

2. Частотная характеристика аналогична ЧХ электромеханического фильтра.

Недостатки ПКФ (по сравнению с кварцевыми фильтрами):

1. Более высокие энергетические потери.

2. Меньшая температурная и временная стабильность.

Применяются ПМФ в трактах УПЧ транзисторных приемников. Особенностью ПКФ и ПМФ является то, что они не пропускают постоянной составляющей тока. Поэтому эти фильтры должны включаться по схеме параллельного питания или через согласующие трансформаторы.

Рассмотренные выше виды ФОС являются достаточно сложными электрическими системами, что объясняется теми высокими требованиями, которые предъявляются к ФОС:

1. Форма характеристики избирательности должна быть близкой к идеальной (прямоугольной) форме.

2. Полоса пропускания ФОС выбирается в зависимости от ширины принимаемого сигнала.

Эти требования направлены на достижение основного назначения ФОС − обеспечение в РПУ основной избирательности по соседним каналам.

Следует более подробнее остановится на этих требованиях.

Как известно, избирательностью радиоприемников называется его способность выделять полезный радиосигнал из совокупности радиочастотных колебаний, действующих в антенне и являющихся помехами по отношению к принимаемому радиосигналу. В современных РПУ в зависимости от назначения могут быть различные виды избирательности:

− частотная,

− пространственная,

− амплитудная,

− временная,

− избирательность по форме сигнала,

− поляризационная и т.д.

В данной лекции интерес представляет частотная избирательность, которая означает способность радиоприемника выделять сигнал определенной частоты и отфильтровывать радиосигналы всех других частот.

Частотная избирательность приемника обеспечивается частотно-избирательными (резонансными) системами.

Количественно избирательность δ оценивается числом, которое показывает, во сколько раз ослабляется напряжение помехи U_П при заданной расстройке по сравнению с напряжением полезного сигнала U_С

δ= U_С / U_П;

или в децибелах δ = 20 lg U_С / U_П.

Радиосигнал, поступающий на вход радиоприемника, как известно, представляет собой спектр частот, по которому определяется полоса пропускания ФОС. Разность крайних частот, образующих спектр радиосигнала, называется шириной спектра сигнала, которая в зависимости от вида модуляции, типа излучения и т.д. может быть самой различной.

Например, ширина спектра:

− АМ (амплитудно-модулированного) сигнала радиовещательной станции равна 9 кГц;

− АМ сигнала радиотелефонной связи равна 3− 5 кГц;

− радиотелеграфного АМ сигнала − от 0,1 до 1,5 кГц (в зависимости от скорости телеграфирования).

Для неискаженного приема радиоприемник должен не только принять полезный сигнал, но и обеспечить усиление в одинаковой степени всех составляющих спектра сигнала. Для выполнения этого условия полоса пропускания приемникадолжна быть возможно шире. Полосой пропускания Δf_П (рис.18.1) называется полоса частот, на границах которой усиление спектра принимаемых колебаний уменьшается не более чем в 1,41 раза от максимального значения (или на уровне 0,707 от максимального).

Отсчет полосы пропускания на уровне 0,707 принят из следующих соображений. Из рисунка 18.2 видно, что крайние боковые частоты спектра сигнала за счет плавных склонов резонансной кривой мало усиливаются, что приводит к появлению искажений.

Установлено, что при полосе пропускания, отсчитанной на уровне 0,707, величина этих искажений не превышает 25%. А особенность человеческого слуха заключается в том, что при искажениях менее 25−30% они на слух практически не воспринимаются.

К_О/К

1,0

0,707

Кривая 1

Кривая 2

Δf_П

f

f_O

Рис.18.1. Характеристики избирательности:

кривая 1−идеальная; кривая 2−реальная

f

f_O f_CK

Спектр полезного Спектр сигнала

сигнала по соседнему каналу

Рис.18.2. Взаимное расположение спектров сигналов

Для выделения только полезного сигнала и подавления мешающихстанций полоса пропускания должна быть более узкой. Следовательно, к ширине полосы пропускания приемника предъявляются два противоречивых требования: с одной стороны она должна быть узкой, с другой − широкой. Удовлетворить эти противоречивые требования было бы возможно при идеальной прямоугольной форме резонансной кривой. При идеальной (прямоугольной) форме резонансной характеристики (рис.18.1, характеристика 1) приемник равномерно усиливал бы все боковые частоты спектра сигнала и полностью подавлял бы сигналы мешающих станций.

Реальные резонансные кривые по форме практически всегда существенно отличаются от идеальной. Однако, используя сложные колебательные системы, можно приблизить форму резонансной кривой ФОС к прямоугольной. Для сравнительной оценки прямоугольности резонансных кривых различных колебательных систем введено понятие коэффициент прямоугольности К_П. Коэффициентом прямоугольности К_П называется отношение полосы пропускания, отсчитанной на определенном уровне (например, на уроне 0,1) к полосе пропускания на уровне 0,707. Коэффициент прямоугольности всегда больше 1, в идеальном случае – равен единице. На рисунке 18.3 изображены резонансные кривые трех различных колебательных систем, имеющих одинаковую полосу пропускания, но различные коэффициенты прямоугольности. Из рисунка 18.3 видно, что из трех резонансных кривых лучшую прямоугольность имеет кривая 1.

К_О/К

1,0

0,707

Кривая 1

Кривая 2

Кривая 3

0,1

Δf

Δf_П0.707

Δf_П0,1

Рис.18.3. Характеристики избирательности

Фильтры основной селекции любого приемника должны обеспечивать высокую избирательность по соседнему каналу приема.

Определение. Соседним каналом приема называется полоса частот, равная по ширине полосе пропускания и примыкаемая к ее верхней и нижней границе.

На любой частоте приема существуют два соседних канала. Физическим смыслом соседнего канала является соседняя радиостанция (помеха).

Для оценки избирательности по соседнему каналу реального приемника предварительно определяется, при какой расстройке Df следует оценивать мешающее воздействие соседней по частоте радиостанции. В общем случае − это частота соседнего канала. Избирательность по соседнему каналу выражается числом, показывающим, во сколько раз усиление полезного сигнала больше по сравнению с усилением соседнего канала.

Величина расстройки Df зависит от назначения приемника, его диапазона, вида модуляции и других причин. Например, для радиовещательных приемников ДВ, СВ, КВ величина Df принимается равной 10 кГц. Это означает, что ширина соседнего канала равняется 10 кГц. Для профессиональных приемников связи расстройка Df может задаваться в пределах 3−15 кГц.

Выводы по 1-му вопросу:

1. Фильтр основной селекции обеспечивает основную избирательность по соседнему каналу супергетеродинного радиоприемника.

2. Основным параметром, характеризующим качество ФОС, является коэффициент прямоугольности, который должен стремиться к единице.