Радиоприемные устройства

Назначение радиоприемного устройства и его место в системе радиосвязи

Радиоприемное устройство (РПрУ) – это комплекс электрических цепей, функциональных узлов и блоков, предназначенный для улавливания распространяющихся в открытом пространстве электромагнитных колебаний искусственного или естественного происхождения в радиочастотном (3∙10³ – 3∙10¹² Гц) и оптическом (3∙10¹² – 3∙10¹⁶ Гц) диапазонах и преобразования их к виду, обеспечивающему использование содержащейся в них информации. Радиоприемные устройства являются важнейшими составными частями всех радиосистем, в том числе радиосвязи, радиовещания и телевидения.

Функциональная схема радиосистемы представлена на рис. 1.

Рисунок 1 – Функциональная схема радиосистемы

Радиопередающее устройство (РПдУ), РПрУ, и среда распространения электромагнитных волн образуют радиоканал. В РПдУ подлежащая передаче информация в виде сообщения той или иной физической природы преобразуется в соответствующий электрический сигнал, который непосредственно или после кодирования модулирует высокочастотное несущее колебание, образуя радиосигнал. С помощью передающей антенны А1 энергия радиосигнала преобразуется в энергию электромагнитного поля, распространяющегося в виде электромагнитных волн в окружающем пространстве. Посредством антенны А2 энергия сильно ослабленного в месте приема электромагнитного поля высокой частоты преобразуется в энергию электрических колебаний, являющихся входным сигналом для собственно приемника. На выходе РПрУ в результате обратного электрофизического преобразования сигнал представляется в виде, необходимом для потребителя информации.

Классификация радиоприемных устройств

В зависимости от признаков, положенных в основу, существуют различные классификации РПрУ. По основному функциональному назначению РПрУ делят на профессиональные и вещательные. К профессиональным приемникам (в системах передачи информации) относят РПрУ связные, телевизионные, телеметрические, телеуправления и др. Вещательные приемники обеспечивают прием программ звукового и телевизионного вещания. Их массовое производство и необходимость относительной дешевизны обусловливают сравнительно простые технические решения. Профессиональные РПрУ отличаются большей сложностью и стоимостью, зачастую соизмеримой со стоимостью передающего оборудования.

По виду принимаемых сигналов приемники делят на два класса: непрерывных (аналоговых) и дискретных сигналов. По виду принимаемой информации различают РПрУ радиотелефонные, звукового вещания, факсимильные, телевизионные, радиотелеграфные, передачи данных и др. Существуют, особенно в системах радиосвязи, РПрУ, предназначенные для приема информации различных видов. В зависимости от вида используемой модуляции (манипуляции в случае дискретных сигналов) бывают приемники амплитудно-модулированных (АМ), частотно-модулированных (ЧМ), фазомодулированных (ФМ) сигналов, сигналов с одной боковой полосой (ОБП) и различными видами импульсной модуляции и др.

Кроме того, различают РПрУ:

– по месту установки – стационарные, мобильные, бортовые, переносные;

– по способу питания – питаемые от сети переменного тока, от аккумуляторов, гальванических или солнечных батарей, с универсальным питанием;

– по способу управления и коммутации – с ручным, частично или полностью автоматизированным, дистанционным, комбинированным управлением.

Функциональная схема современного радиоприемного устройства

В соответствии с занимаемым в радиоканале местом РПрУ должны обеспечивать следующие основные функции:

– выделение полезного сигнала из смеси с шумом или другими мешающими сигналами;

– усиление полезного сигнала;

– ослабление мешающего действия помех, присутствующих во входных колебаниях;

– детектирование радиочастотных сигналов с целью формирования колебаний, соответствующих передаваемому сообщению.

Помимо указанных основных функций для многих современных РПрУ характерно выполнение и других сложных функций, например: частотное преобразование принимаемых радиосигналов с целью перенесения в область частот, где обеспечиваются наилучшие условия из обработки; изменение параметров РПрУ для достижения заданного или наилучшего качества его работы (адаптация) при изменениях электромагнитной обстановки в месте приема, определяемой совокупностью всех помех.

Обобщенная структурная схема, отражающая основные функции РПрУ, представлена на рис. 2. Она состоит из пяти функциональных блоков – трактов.

Рисунок 2 – Обобщенная функциональная схема радиоприемного устройства

В усилительно-преобразовательном тракте (УТ) осуществляется выделение полезных сигналов из всей совокупности поступающих от антенны А сигналов и помех, не совпадающих по частоте с полезным сигналом, и усиление последнего до уровня, необходимого для нормальной работы последующих каскадов. Хотя в УТ с сигналом могут производиться некоторые нелинейные процедуры (смещение спектра, ограничение амплитуды и др.), в принимаемую информацию указанный тракт существенных искажений не вносит и в этом смысле его можно считать линейным.

В информационном тракте (ИТ) осуществляется основная обработка сигнала с целью выделения содержащейся в нём информации (демодуляции) и ослабление мешающего воздействия помех. При этом важнейшей задачей является выделение информации с максимальной достоверностью – так называемый оптимальный приём. Для этого в составе ИТ предусматривается оптимальный фильтр, цепи последетекторной обработки, следящие системы частотной (ЧАПЧ) и фазовой (ФАПЧ) автоматической подстройки частоты, используемые для демодуляции сигнала, а также для его поиска и сопровождения по частоте, фазе и задержке.

Гетеродинный тракт (ГТ) преобразует частоту собственного или внешнего опорного генератора и формирует сетки частот, необходимые для работы преобразователей частоты в УТ, следящих систем и устройств обработки сигнала в ИТ. Зачастую это сложное самостоятельное устройство – синтезатор частоты, обеспечивающий работу и других подсистем радиосистемы, прежде всего РПрУ.

Тракт адаптации, управления и контроля (ТАУК) позволяет осуществлять ручное, дистанционное, и автоматизированное управление режимом работы РПрУ (включение и выключение, поиск и выбор сигнала, адаптация к изменяющимся условиям работы и т.д.) и отражает качество его работы на соответствующих индикаторах. В оконечном устройстве (ОУ) энергия выделяемого сигнала используется для получения требуемого выходного эффекта – акустического (телефон, громкоговоритель), оптического (кинескоп, дисплей), механического (печатающее устройство).

Вторичный источник питания (ВИП) преобразует энергии первичного источника в форму, удобную для использования непосредственно в РПрУ. В ВИП может осуществляться преобразование напряжения, выпрямление, фильтрация, стабилизация.

Рассмотренная структурная схема является наиболее общей, однако в конкретных РПрУ отдельные связи между трактами и даже некоторые тракты могут отсутствовать или выполнять более ограниченный набор функций, при этом упрощение структуры приёмного устройства и ограничение функций отдельных трактов снижают полноту реализации возможностей радиоприёма. Наибольшая эффективность приёма достигается при объединении нескольких РПрУ в радиоприёмные системы, управляемые на основе адаптивных алгоритмов. В таких системах каждое РПрУ принимает одну и ту же информацию в различных условиях приёма (на разных частотах, в пространственно разнесённых точках, с разными антеннами и т.д.) и под управлением компьютера осуществляется обработка всех принятых сигналов или выделение сигнала, соответствующего наилучшим условиям приёма. В системах радиосвязи часто используется приём многоканальных сообщений. В РПрУ таких систем имеется дополнительный тракт разделения каналов с последующими ОУ в каждом канале.

Большинство современных радиоприёмников строят по так называемой супергетеродинной схеме. Структурная схема такого приемника приведена на рис. 3.

Рисунок 3 – Структурная схема супергетеродинного приемника

В приёмной антенне возникает ЭДС Е _ас частоты f _c принимаемого сигнала. Входная цепь ВЦ и усилитель радиочастоты УРЧ в супергетеродинном приёмнике содержат резонансные цепи, настраиваемые на частоту сигнала f _c. Часть приёмника, предшествующая смесителю (СМ), называют преселектором, так как это устройство обеспечивает предварительную селекцию. Смеситель представляет собой нелинейный элемент, преобразующий частоту. Для этого используется местный гетеродин (Г), генерирующий вспомогательное колебание U _г с частотой f _г. Частота гетеродинного напряжения f _г определяется настройкой контура гетеродина и изменяется при перестройке контуров преселектора. Смеситель вместе с гетеродином называют преобразователем частоты (ПЧ). Часто функции гетеродина и смесителя выполняет один и тот же нелинейный усилительный прибор – радиолампа или транзистор. Ко входу смесителя подводится напряжение сигнала с амплитудой U _c и частотой f _c. При этом выходной ток смесителя содержит частоты приложенных напряжений f _c и f _г, их гармоники, а также комбинационные частоты , и т.д. Частота f _пр, на которую настроен тракт, следующий за преобразователем, называется промежуточной. Если радиоприёмник настроен точно на частоту сигнала f _c, то преобразованная частота

равна промежуточной частоте f _пр. Амплитуда выходного напряжения смесителя U _п определяется составляющей выходного тока смесителя частоты f _п. Эта составляющая пропорциональна амплитуде сигнала U _c. Поэтому в правильно работающем смесителе огибающие U _пр(t) и U _c(t) совпадают с точностью до постоянного множителя. Следовательно, при преобразовании по частоте АМ колебаний сообщение, передаваемое огибающей, не искажается. При преобразовании частотно-модулированных сигналов изменение преобразованной частоты согласно отличается от изменения частоты сигнала лишь знаком, а величина частотной девиации при этом не изменяется. Нетрудно понять, что и в случае модуляции или манипуляции радиосигнала по фазе изменение по фазе переноситься на преобразованную частоту, а сообщение, заложенное в изменение фазы, не претерпевает изменений.

С выхода смесителя напряжение преобразованной частоты подаётся на вход усилителя промежуточной частоты (УПЧ). Если в этом усилителе имеются резонансные устройства, то они должны быть также настроены на частоту f _п. К детектору Д подводится напряжение преобразованной частоты U _вых. Оно является выходным напряжением высокочастотного тракта, состоящего из преселектора и тракта промежуточной частоты, выключающего ПЧ и УПЧ.

При перестройке супергетеродинного приёмника по диапазону перестраиваются как контуры преселектора, так и контур гетеродина.. При этом преобразованная частота должна оставаться неизменной. Это позволяет применять полосовые фильтры в тракте промежуточной частоты с неизменной настройкой, например, пьезоэлектрические или электромеханические полосовые фильтры, обеспечивающие высокую избирательность. При использовании LC фильтров постоянство преобразованной частоты также является важным преимуществом супергетеродинных приёмников, так как упрощается и удешевляется их конструкция. При этом оказывается возможным применить сложные многоконтурные полосовые фильтры, что повышает избирательность приёмника. Указанное обстоятельство является важным достоинством супергетеродинного приёмника. Другие преимущества связаны с тем, что промежуточная частота может быть выбрана достаточно низкой. Это важно для построения пьезоэлектрических или электромеханических полосовых фильтров. При этом легче обеспечить узкую полосу пропускания и в LC фильтрах,так как полоса пропускания каждого из контуров пропорциональна его резонансной частоте. На более низкой промежуточной частоте легче обеспечить устойчивое усиление. То, что усиление в высокочастотном тракте супергетеродинного приёмника получается на разных частотах (на частоте f _c в преселекторе и на частоте f _пр в УПЧ), делает систему более устойчивой, так как на каждой из этих частот требуется обеспечить меньшее усиление. На частотах свыше 300 МГц получить устойчивое усиление значительно труднее. При этом приёмники часто строят без УРЧ и всё усиление обеспечивают на промежуточной частоте.

Существенным недостатком супергетеродинных приёмников является наличие побочных каналов приёма. Основным из них является так называемый зеркальный (или симметричный) канал.

На рис. 4 изображена резонансная кривая преселектора , настроенного на частоту полезного сигнала f _c0.

Рисунок 4 – Прохождение зеркальной помехи через преселектор

Пусть в антенне имеется ЭДС Е _АЗ помехи с частотой зеркального канала

Хотя , амплитуда помехи на выходе преселектора может быть сравнимой и даже превышать амплитуду полезного сигнала , так как соотношение между Е _АЗ и E _AC следует считать произвольным. Поскольку напряжение помехи приложено ко входу смесителя, то в его выходной цепи, в числе прочих составляющих, появится и вредная составляющая тока, пропорциональная U _з, с разностной частотой

Совпадение этой частоты с промежуточной означает, что зеркальная помеха будет преобразована по частоте с таким же коэффициентом усиления, как и полезный сигнал. Для борьбы с зеркальной помехой следует улучшить избирательность преселектора или выбирать более высокое значение f _пр. Согласно частота зеркального канала при этом будет отстоять дальше от частоты полезного сигнала, что облегчит их расфильтровку в преселекторе.

В супергетеродинном приёмнике существуют и другие побочные каналы приёма. Частота одного из них совпадает с промежуточной, поскольку колебания этой частоты проходят через смеситель и выделяют его нагрузкой. По этой причине частота f _пр всегда выбирается вне диапазона принимаемых частот. Она должна быть достаточно низкой, чтобы на этой частоте оказалось возможным обеспечить заданную полосу пропускания и избирательность. Вместе с тем величина промежуточной частоты должна быть достаточно велика, чтобы в преселекторе можно было бы добиться требуемой избирательности по отношению к зеркальной помехе и к другим побочным каналам приёма.

Показатели качества приемника

К важнейшим показателям приемника, характеризующим его соответствие назначению, относят чувствительность, селективность и стабильность. Чувствительностью называется способность приемника принимать слабые сигналы. Чем меньше напряженность поля сигнала в месте приема, достаточная для уверенного приема, тем меньше (в квадрате) необходимая мощность радиопередатчика; следовательно, тем меньше затраты на его сооружение и эксплуатацию.

Количественной мерой чувствительности служит минимальный уровень принимаемого сигнала, при котором переданная информация воспроизводится с удовлетворительным качеством.

Критерий удовлетворительного качества воспроизведения выбирается в зависимости от вида принимаемых сигналов. Например, при слуховом приеме телефонных или телеграфных сигналов таким критерием обычно служит отношение напряжения сигнала к напряжению помехи; это отношение должно быть достаточно большим. Оба напряжения измеряются на входе демодулятора. Для определенности под помехой понимается внутренний шум приемника.

При автоматическом приеме двоичных (телеграфных) сигналов для оценки качества воспроизведения выбирают один из следующих критериев:

– вероятность искажения формы импульса в передаваемой последовательности импульсов, образующих телеграфный сигнал. Под искажением понимается недопустимое расширение, сужение или дробление (расщепление) импульса;

– вероятность неправильного воспроизведения двоичного знака («1» вместо «0» и наоборот);

– вероятность неправильного воспроизведения кодовой комбинации (буквы, цифры) в принятом тексте.

Чувствительность называется низкой, если минимальный уровень радиосигнала высок, и напротив, считается тем более высокой, чем он ниже.

Селективностью называется способность радиоприемного устройства выделять нужный сигнал из спектра электромагнитных колебаний в месте приема. Селективность зависит от свойств антенны и приемника, а также от дополнительной обработки принимаемого сигнала в оконечной аппаратуре, включенной после приемника. Использованием антенны с узкой диаграммой направленности можно обеспечить прием с одного направления, в котором расположен источник нужного сигнала, и ослабление сигнала с других направлений от посторонних источников. Это свойство называется пространственной селективностью.

В радиовещании и большинстве систем радиосвязи сигналы различаются по частоте, поэтому основной вид селективности – частотная селективность, которая реализуется при помощи резонансных цепей и фильтров.

Количественной мерой селективности приемника служит относительная интенсивность помех, при которой их влияние на чувствительность и на качество воспроизведения сообщения становится сильнее допустимого предела. Чем больше уровень таких помех, тем лучше селективность.

С понятием селективности связаны понятия электромагнитной совместимости и помехозащищенности радиотехнических средств.

Электромагнитной совместимостью называется обеспечение нормальной работы радиостанций различного назначения в общих диапазонах радиочастот в условиях взаимных радиопомех. В последние десятилетия проблема электромагнитной совместимости стала одной из важнейших научно-технических и инженерных проблем.

Помехозащищенность характеризует способность всей данной радиосистемы, включающей радиопередающее, радиоприемное и вспомогательные устройства, нормально функционировать при наличии помех различного происхождения. Помехозащищенность может достигаться соответствующим выбором системы кодирования передаваемых сообщений, частоты, мощности и вида модуляции передатчиков, диаграмм направленности антенн и их ориентации в пространстве, схемы и параметров приемников, а также применением тех или иных специальных средств восстановления принятых сообщений, искаженных помехами.

Селективность приемника – один из главных факторов помехозащищенности и электромагнитной совместимости.

Стабильностью называется способность приемника обеспечивать в течение определенного достаточно длительного времени прием нужного сигнала без каких-либо ручных регулировок и без недопустимого ухудшения чувствительности и селективности.

Перечисленными показателями приемник должен обладать:

– в заданных диапазонах радиочастот;

– при заданных видах модуляции радиосигналов (амплитудная, однополосная, частотная и др.) и определенной ширине спектра модулирующего сигнала;

– в заданных пределах изменения внешних условий, т.е. температуры, влажности, напряжения источника электропитания, механических колебаний опоры и т.п.

К числу показателей качества приемника относятся, кроме чувствительности, селективности и стабильности, искажения воспроизводимого сигнала, например, частотные, нелинейные и др. Искажения не должны превышать установленных допустимых значений. Это должно быть обеспечено при соблюдении перечисленных выше условий и при уровне сигнала на выходе приемника, достаточно высоком для воспроизведения принимаемого сообщения, при уровне сигнала в антенне выше предела чувствительности, при уровне помех ниже предела, при котором селективность становится недостаточной.

Факторы, ограничивающие чувствительность радиоприемных

устройств

Чувствительность зависит от усиления сигнала в приемнике. В самых простых и дешевых приемниках с малым числом усилительных каскадов и соответственно малым усилением требуемая мощность сигнала на выходе получается при сравнительно сильном сигнале в антенне. Такой сигнал может поступать от близкого и мощного передатчика. Обычно в этом случае сигнал во много раз сильнее помех, и они не оказывают влияния на его прием. Чувствительность можно повысить, если увеличить усиление. В данном случае чувствительность ограничена усилением приемника.

Если сильно увеличить усиление, то оно станет достаточным для приема сравнительно слабых сигналов, но чем слабее сигнал, тем вероятнее заглушение его помехами. Когда помехи заглушают сигнал, то увеличение усиления уже не приведет к повышению чувствительности, так как будут усиливаться и сигнал, и помехи, а соотношение между ними не улучшится. Следовательно, в описанных условиях самый слабый сигнал, который может быть нормально принят, зависит уже не от усиления, а от уровня помехи. В этом случае чувствительность ограничена помехами. Различают чувствительность, ограниченную внешними помехами и внутренними шумами приемника.

Внешние помехи сильно зависят орт сезона, времени суток, метеорологических условий, местности и других факторов. Поэтому чувствительность, ограниченная внешними помехами, не является определенным параметром и не позволяет однозначно характеризовать данный приемник. При наиболее благоприятных условиях приема, когда внешние помехи малы и не оказывают заметного влияния на прием, роль главного фактора, ограничивающего чувствительность, переходит к внутренним шумам.

Поскольку шумы приемника при нормальном режиме его эксплуатации имеют вполне определенный уровень, чувствительность, ограниченная внутренними шумами, является вполне определенным параметром приемника.

Учет шумов приемника. Коэффициент шума

Реальный приемник содержит множество шумящих компонентов и цепей со сложными взаимными связями и соединениями. Расчет суммарного шума, создаваемого всеми компонентами, может представлять большие трудности. Его можно упростить, если разделить приемник на несколько секций (узлов или блоков), внутренние шумы и прочие параметры которых имеют более или менее независимые значения и могут быть сравнительно легко рассчитаны. Расчет шума приемника в целом сведется после этого к суммированию шумов отдельных частей, что представляет уже более легкую задачу.

Для реализации описанного подхода к расчету шума требуется единый подход к оценке шумовых свойств отдельных секций приемника и, в частности, выбор достаточно удобной единицы измерения.

Оценка шумов упрощается, если характеризовать шумовые свойства данной секции приемника отношением полной мощности шума к номинальной мощности теплового шума цепи. При этом номинальная мощность теплового шума цепи может быть рассчитана по формуле:

,

где k = 1,38∙10^–23 Вт/(Гц∙К) – постоянная Больцмана; T – температура приемника в градусах Кельвина; D F – полоса пропускания приемника, измеренная по уровню половинного усиления по напряжению.

Удобство такой оценки шумов состоит, помимо простоты получения мощности P _{ш 0}, в том, что полная мощность, как и P _{ш 0}, пропорциональна полосе пропускания приемника, поэтому отношение их оказывается независимым и от полосы пропускания, т.е. при измерениях достаточно контролировать температуру T. Обычно при измерениях и расчетах принимают температуру T равной нормальной комнатной температуре T ₀, которую считают равной 293 К.

Для оценки относительного уровня внутреннего шума данной секции приемника служит коэффициент шума, который показывает, во сколько раз полная мощность шума на выходе секции превышает мощность шума, вызванного действием на ее входе теплового шума с мощностью P _{ш 0}.

Если бы был возможен идеальный, нешумящий усилитель, то полная мощность шума на выходе определялась бы действием на входе мощности P _{ш 0}, т.е. коэффициент шума его был бы равен единице. Очевидно, что в реальных условиях коэффициент шума превышает единицу, так как к указанной мощности прибавляется собственный шум усилителя. Чем больше коэффициент шума, тем хуже рассматриваемое устройство по шумовым свойствам.

Если известен коэффициент шума k _ш, то нетрудно определить эквивалентную полную мощность шума усилителя, отнесенную к его входу. Если считать эквивалентный источник шума согласованным со входом усилителя, то эта мощность будет равна

.

Мощность P _{ш вх} включает в себя и мощность источника P _{ш 0}. Мощность шума собственного усилителя, отнесенная к его входу, равна

.

Подставляя сюда значения P _{ш вх} и P _{ш 0}, получим

,

где T ₀ – нормальная комнатная температура.

Такую же дополнительную мощность можно получить и от согласованного источника эталонного шума, если повысить его температуру на некоторую величину T _ш; возросшая мощность источника станет равной . Приравнивая полученную величину и P _{ш вх}, получим

,

откуда

.

Это так называемая шумовая температура усилителя. Поскольку из формулы следует, что , то через шумовую температуру можно выразить мощность шума усилителя, отнесенную к его входу. С учетом имеем:

.

Коэффициент шума широко применяется для оценки и сравнения усилителей с относительно высоким уровнем внутренних шумов, для которых k _ш составляет несколько единиц или десятков. Но в некоторых системах радиосвязи, в особенности спутниковых и космических, а также в радиоастрономии, применяются усилители, коэффициент шума которых близок к единице. В этом случае он становится неудобным для сравнения усилителей, так как речь идет о десятых и сотых долях от полного значения сравниваемых величин. По этой причине для характеристики чувствительности малошумящих усилителей чаще пользуются шумовой температурой.