Назначение и качественные показатели радиоприемных устройств

В общем случае процесс приема сигнала выглядит следующим образом:

1) Электромагнитные волны наводят в антенне токи высокой частоты;

2) Эти токи поступают на входной контур;

3) Контур выделяет из множества частот только узкую полосу, на которую он настроен;

4) Из высокочастотного сигнала необходимо выделить скрытый в нем сигнал звуковой частоты (звуковую информацию);

5) Электрический сигнал звуковой частоты надо преобразовать в акустический сигнал, который можно прослушать.

Технические требования, предъявляемые к радиоприемным устройствам, обычно включают в себя следующие основные показатели: чувствительность, избирательность, полосу пропускания, диапазон принимаемых частот, качество воспроизведения и выходную мощность.

Чувствительностью приемника называется наименьшая ЭДС на входе приемника или наименьшая напряженность поля в точке приема, при которой на выходе приемника обеспечивается заданная выходная мощность (или выходное напряжение). Следовательно, чем меньшая ЭДС требуется на входе приемника для обеспечения нормальной выходной мощности, тем чувствительнее приемник.

Например, один приемник имеет чувствительность, равную 50 мкВ, а второй, – равную 100 мкВ. Более чувствительным будет первый приемник.

Технические требования, предъявляемые к радиоприемным устройствам, обычно включают в себя следующие основные показатели: чувствительность, избирательность, полосу пропускания, диапазон принимаемых частот, качество воспроизведения и выходную мощность.

Чувствительностью приемника называется наименьшая ЭДС на входе приемника или наименьшая напряженность поля в точке приема, при которой на выходе приемника обеспечивается заданная выходная мощность (или выходное напряжение). Следовательно, чем меньшая ЭДС требуется на входе приемника для обеспечения нормальной выходной мощности, тем чувствительнее приемник.

Например, один приемник имеет чувствительность, равную 50 мкВ, а второй, – равную 100 мкВ. Более чувствительным будет первый приемник.

Избирательностью приемника (или селективностью) называется способность приемника занижать мешающий сигнал, выделяя при этом основной принимаемый сигнал. Приемник обладает избирательностью благодаря тому, что в его схеме имеются резонансные контуры. Рассмотрим резонансную кривую контура, представленную на рис.3.1. a.

Допустим, что контур настроен в резонанс, на несущую частоту принимаемого сигнала; f_p – резонансная частота контура; f_м – частота мешающего сигнала; I_р – ток в контуре при резонансе; I_м – ток в контуре, соответствующий частоте F_м; Δf – абсолютная расстройка.

Величина избирательности (S) показывает, во сколько раз занижается мешающий сигнал по сравнению с резонансным: S = I_р/I_м.

Рис. 4.1. Резонансные кривые контуров:
а) к вопросу расчета избирательности контура; б) при различной добротности;
в) в зависимости от частоты поддиапазона; г) в различных диапазонах волн

Часто величину избирательности выражают в децибелах: S (дБ)= 20 lg S. Например, если S=100, то, это значит, что мешающий сигнал занижается в 100 раз по сравнению с резонансным.

При этом избирательность, дБ, S(дБ)==20 lg 100=40 дБ. Общая избирательность приемника определяется количеством контуров в его схеме и их качеством, т. е. добротностью. Известно, что форма резонансной кривой зависит от добротности контура. Чем выше добротность контура, тем острее форма резонансной кривой. Следовательно, чем выше добротность контура, тем большую избирательность он обеспечивает.

На рис. 4.1.б показаны резонансные кривые двух контуров с различной добротностью Q, причем Q₁ > Q₂. Мешающий сигнал с частотой f_м сильнее занижается контуром, который имеет большую добротность Q₁. Следует также иметь в виду, что форма резонансной кривой контура зависит от частоты его настройки в резонанс. С ростом частоты настройки форма резонансной кривой контура расширяется, как показано на рис. 4.1.в. Известно, что полоса пропускания одиночного контура (при занижении крайних боковых частот в раз) рассчитывается по формуле:

П= fp/Q

(3)

Внутри каждого поддиапазона добротность контура Q можно считать практически неизменной. Величину добротности контура можно рассчитать по формуле

Q = ωp L/r

(4)

Если контур перестраивается по диапазону емкостью, то индуктивность его L постоянна. С ростом частоты ω_p растут потери контура r за счет поверхностного эффекта и потому величину Q приближенно можно считать постоянной. Из формулы (3) следует, что с ростом частоты f_p расширяется полоса пропускания контура. Следовательно, контур будет обеспечивать меньшую избирательность (при одинаковой расстройке Δf) на более высокой частоте f_{р max}, чем на низшей частоте диапазона f_{р min} (рис.4.1.в).

Кроме того, нетрудно представить себе, что с, укорочением длины волны также расширяется резонансная кривая контура и потому наиболее широкой (или тупой) будет резонансная кривая контура в диапазоне коротких и ультракоротких волн. На рис.4.1.г показаны резонансные кривые контуров для различных диапазонов волн.

Помимо заданной чувствительности и избирательности, приемник должен обеспечивать пропускание заданной полосы частот, а также перекрывать заданный диапазон частот. Последнее означает, что приемник должен настраиваться на любую частоту заданного диапазона так, чтобы чувствительность, избирательность и полоса пропускания на любой частоте диапазона были не менее заданных. Приемник должен обеспечивать необходимое качество воспроизведения модулирующего сигнала, а качество воспроизведения определяется величиной нелинейных и частотных искажений, которые создаются в схеме приемника.

Процесс выделения звука из высокочастотного сигнала называется демодуляцией или иначе – детектированием. А осуществляется демодуляция детектором.
Задача амплитудного детектора – преобразование переменного тока в постоянный. Проще всего процесс обработки высокочастотного сигнала можно рассмотреть на примере детекторного ради оприемника – прадедушки современных систем связи.

Рис. 4.2. С хема детекторного приемника и форма сигналов в точках:

1 – ВЧ сигнал, выделенный колебательным контуром;
2 – сигнал после выпрямления детектором;
3 – НЧ сигнал, поступающий на наушники

Из принятых антенной ВЧ сигналов выделяется тот, в резонанс с которым настроен колебательный контур. Форма сигнала в точке (1) представляет собой высокочастотный сигнал, модулированный по амплитуде. Задача детектора состоит в том, чтобы «вырезать» положительную полуволну (2), которая также содержит полезную информацию в виде изменения амплитуды – так называемую огибающую (на рисунке показана пунктирной линией). Но высокочастотный сигнал нельзя прослушать на наушники – нужна звуковая частота. Для удаления ВЧ составляющей в схему после диода включен конденсатор. Емкость конденсатора выбрана таким образом, чтобы он пропускал только высокочастотную составляющую. Теперь мы имеем сигнал (3), эквивалентный переданному радиопередатчиком.

К недостаткам детекторных приемников следует отнести: низкую чувствительность и избирательность (возможность принимать конкретную станцию без помех со стороны других станций с близкой частотой), слабый уровень воспроизводимого сигнала.
Еще немаловажным является то, что детекторный приемник позволяет принимать только амплитудно-модулированные сигналы, которые в настоящее время используются в основном только в радиовещании. Системы подвижной связи обычно применяют либо частотную модуляцию, либо подвид амплитудной – так называемую однополосную модуляцию.
Как видно из схемы, в детекторном радиоприемнике нет даже источника питания – он работает на энергии радиоволны. А как было отмечено выше, уровень этой энергии очень мал и для громкоговорящего приема должен усиливаться. Сигнал детекторного приемника настолько слаб, что позволяет прослушивать сигналы только мощных близлежащих радиостанций и только на наушники. Для повышения уровня принимаемого сигнала используются различные виды усиления.

Рис. 4.3. Блок-схема приёмника прямого усиления

Радиоприёмник прямого усиления состоит из колебательного контура, нескольких каскадов усиления высокой частоты, диодного детектора, а также нескольких каскадов усиления низкой частоты.
Колебательный контур служит для выделения сигнала требуемой радиостанции. Как правило, частоту настройки колебательного контура изменяют конденсатором переменной ёмкости. К колебательному контуру подключают антенну, иногда и заземление.
Сигнал, выделенный колебательным контуром, поступает на усилитель высокой частоты. Усилитель высокой частоты (УВЧ), как правило, представляет собой несколько каскадов избирательного транзисторного усилителя. С УВЧ сигнал подаётся на диодный детектор, с детектора снимается сигнал звуковой частоты, который усиливается ещё несколькими каскадами усилителя низкой частоты (УНЧ), откуда поступает на динамик или наушники.
В литературе приёмники прямого усиления классифицируют по числу каскадов усилителей низкой и высокой частоты. Приёмник с n-каскадами усиления высокой и m-каскадами усиления низкой частоты обозначают n-V-m, где V обозначает детектор. Например, приёмник с одним каскадом УВЧ и одним каскадом УНЧ обозначается 1-V-1. Детекторный приёмник, который можно рассматривать как частный случай приёмника прямого усиления, обозначается 0-V-0.
Главное преимущество приёмника прямого усиления — простота конструкции Кроме того, радиоприёмники прямого усиления (в отличие от супергетеродинных приёмников) отличаются отсутствием паразитных излучений в эфир, что может быть важно, если необходима полная скрытость приёмника.
Основной недостаток приёмника прямого усиления — малая селективность (избирательность), то есть малое ослабление сигналов соседних радиостанций по сравнению с сигналом станции, на которую настроен приёмник. Поэтому этот тип приёмников удобно использовать только для мощных радиостанций, работающих в длинноволновом или средневолновом диапазоне (из-за особенностей распространения волн в ионосфере длинноволновые и средневолновые сигналы не могут распространятся слишком далеко, поэтому приёмник «видит» только ограниченное число местных станций). Из-за этого недостатка приёмники прямого усиления не производятся промышленностью и в основном используются ныне только в радиолюбительской практике.

Революция произошла в 1913 году, когда гениальный американский изобретатель Эдвин Армстронг предложил схему супергетеродинного приемника. Схема оказалась настолько удачной, что до настоящего времени девять из десяти приемников работают на этом принципе.
Смысл загадочного слова супергетеродин заключается в том, что выделенный входным контуром высокочастотный сигнал сначала преобразуется в другую частоту, постоянную для данного типа приемника, а затем на этой, так называемой промежуточной частоте, производится усиление основного сигнала и ослабление мешающих.

Рис.4.4. Блок-схема супергетеродинного приемника
Как видно из схемы, настройка на радиостанцию осуществляется таким же колебательным контуром, как и в детекторном приемнике. Гетеродин – это маломощный перестраиваемый генератор. Преобразование частоты в осуществляется в преобразователе частоты ПЧ, состоящим из смесителя и гетеродина. Гетеродин генерирует колебания частотой В смесителе, являющимся нелинейным элементом или элементом с периодически меняющимися параметрами, образуются комбинационные частоты вида ,

где m и n - целые числа. Одна из этих частот и используется в качестве промежуточной частоты. Обычно наиболее удобным оказывается использование разностной частоты, т.е. выбирается

при изменениях частоты сигнала по диапазону частота гетеродина также изменяется и притом по такому закону, чтобы промежуточная частота оставалась постоянной, т.е. по закону:

где На эту постоянную промежуточную частоту и настраиваются контуры УПЧ. Для повышения чувствительности и избирательности приемника иногда применяют двойное и даже тройное преобразование частоты.

Основными преимуществами супергетеродина по сравнению с приемником прямого усиления являются:

1) Постоянство по диапазону. Благодаря этому все контуры, входящие в состав УПЧ, имеют фиксированную настройку и просты по конструкции, что позволяет применить в УПЧ большое число каскадов с резонансными контурами. Это облегчает получение большого усиления большой избирательности, и электрические показатели приемника в целом становятся более постоянными в пределах всего диапазона принимаемых частот.

2) Возможность получения промежуточной частоты более низкой, чем частота принимаемого сигнала. Так как полоса пропускания каждого резонансного контура пропорциональна его резонансной частоте ( ), то понижение этой частоты позволяет сузить полосу пропускания приемника, что особенно важно при приеме весьма высоких частот. Понижение резонансной частоты в ряде случаев облегчает также возможность получения большого и устойчивого усиления, особенно при приеме весьма высоких частот.

3) Возможность осуществления усиления до детектора не только на частоте сигнала , но и на существенно отличной от нее частоте . Это обстоятельство облегчает получение весьма большого устойчивого усиления (порядка 1000000 и более), т.к. наиболее опасными являются паразитные связи, охватывающие каскады с примерно одинаковой резонансной частотой.

Таким образом, благодаря особенностям структурной схемы, в супергетеродинном приемнике значительно проще, чем в приемнике прямого усиления, достигаются большое усиление, большая избирательность и постоянство электрических параметров.

На ряду с большими преимуществами супергетеродинный приемник имеет по сравнению с приемником прямого усиления и некоторые недостатки, основными из которых являются:

1) Необходимость дополнительного блока - преобразователя частоты. Этот недостаток может оказаться существенным при конструировании простейших приемников, от которых не требуется высокой чувствительности, а следовательно, и большой избирательности. В таких случаях переход от схемы прямого усиления может вызвать не упрощение, а неоправданное усложнение приемника.

2) Большее влияние внутреннего шума в активном приборе, работающем в режиме преобразователя частоты, чем в таком же приборе, работающем в режиме усиления. Для устранения этого недостатка (в случае, когда уровень внутреннего шума сравним с уровнем внешних помех) требуется осуществить некоторое усиление сигнала до преобразования частоты, с тем чтобы уровень сигнала превышал уровень внутреннего шума преобразователя частоты.

3) Наличие паразитных каналов приема. При супергетеродинном приеме существуют такие частоты , отличные от частоты сигнала которые в преобразователе частоты преобразуются в такую же промежуточную частоту, что и частота сигнала, и для которых, следовательно, контуры УПЧ не обладают ни какой избирательностью. К таким паразитным каналам приема относятся соседний, зеркальный, комбинационный, интермодуляционный и прямой.

а) Соседний канал приема - это канал на частотах , примыкающий к основному каналу ( ), вследствие недостаточной избирательности приемника не отфильтровываемый сигнал преселектором и создающий в ПЧ сигналы на частотах

близких к промежуточной частоте и входящих в полосу пропускания УПЧ.

Pис.4. 5. Помеха по соседнему каналу

б) Зеркальный канал приема образуется внешней помехой на частоте , которая равна

Pис.4.6. Помеха по зеркальному каналу

Если эта частота входит в полосу пропускания преселектора, имеющего частотную характеристику , показанную на рисунке, то в ПЧ образуется частот

т.е. такая же как частота

от полезного сигнала. Следовательно происходит наложение спектра полезного сигнала и спектра помехи, т.е. частотная фильтрация помехи от сигнала становится невозможной. Ослабить помеху по зеркальному каналу можно двумя путями:

- увеличением частотной избирательности преселектора;

- увеличением промежуточной частоты

В последнем случае (при увеличение ) согласно рассмотренному ранее выражению

увеличится и частота помехи , что позволяет лучше отфильтровывать ее в преселекторе. Однако, чем выше , тем труднее обеспечить высокую избирательность УПЧ с полосой пропускания, сопряженной с шириной спектра полезного сигнала. Для устранения помех одновременно по зеркальному и соседнему каналам применяют многократное преобразование (снижение) частоты:

Рис.4.7. Принцип двойного преобразования частоты

Принимаемый сигнал с частотой последовательно преобразуется в первом и втором преобразователях частоты. Преобразованный сигнал на частоте выделяется фильтром в тракте первой промежуточной частот и затем еще раз понижается преобразователем ПЧ₂. Сравнительно низкая вторая промежуточная частота облегчает формирование требуемой резонансной характеристики и полосы пропускания тракта фильтром .

Особенность двойного преобразования состоит в появлении второго зеркального канала отстоящего от на и расположенного симметрично относительно частоты второго гетеродина В преселекторе второй зеркальный канал существенно не ослабляется, так как вторая промежуточная частота относительно низка и расположена достаточно близко к частоте принимаемого сигнала.

На выходе первого ПЧ частота преобразуется в частоту

, которая должна быть подавлена в тракте первой промежуточной частоты фильтром ,в этом состоит его основное назначение.

Рис.4.8. Подавление помехи по зеркальному каналу

в) Комбинационный канал приема образуется в результате взаимодействия комбинационных частот гетеродина и сигнала

где m, n > 1, образующих частоты, близкие к , т.е. входящие в полосу пропускания УПЧ. Усиливаясь так же, как и полезный сигнал на частоте

на демодуляторе образуются биения между частотами сигнала и комбинационными частотами

Если они входят в полосу пропускания усилителя низкой частоты УЗЧ, то являются помехой, воспроизводимой далее оконечным устройством ОУ.

Основной мерой устранения комбинационного канала приема является снижение уровня гармоник гетеродина и сигнала выбором соответствующего режима работы смесителя.

г) Интермодуляционный канал приема возникает при прохождении через преселектор двух и более помех на частотах

,

которые в смесителе образуют сигналы с комбинационными частотами

( - целые числа).

Если какая либо одна или несколько комбинационных частот попадает в полосу пропускания УПЧ, то создается интермодуляционный паразитный канал приема.

Для уменьшения влияния интермодуляционного канала следует повышать частотную избирательность преселектора и уменьшать усиление в УРЧ (УСЧ).

д) Прямой канал приема образуется, когда помеха имеет частоту, равную промежуточной частоте , и, воздействуя на ПЧ, проходит без преобразования частоты в канал УПЧ. основной мерой борьбы является использование резонансных контуров, отфильтровывающих эту помеху до преобразователя.

При проектировании супергетеродинного приемника побочные (паразитные) каналы приема могут быть практически устранены правильным выбором промежуточной частоты, режима работы преобразователя частоты и необходимой частотной избирательностью преселектора и УПЧ. поэтому супергетеродинная структура приемника является в настоящее время главной.

Рис.4.9.Общий тракт приема

Общий тракт приема, приведенный на Рис.4.9, применим для приема только амплитудно-модулированных сигналов. Для приема других видов работ – ОМ, ЧМ, ЧТ и ДЧТ с различными сдвигами, его необходимо дополнить устройством для формирования сигналов различных видов работ.

Рис. 4.10. Устройство формирования сигналов различного вида работ