close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Galotshkin Ustrojstva priema i obrabotki signalov konspekt lekcij

код для вставкиСкачать
Федеральное агентство связи
Государственное образовательное бюджетное учреждение
высшего профессионального образования
«Поволжский государственный
университет телекоммуникаций и информатики»
Кафедра радиосвязи, радиовещания и телевидения
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Учебное пособие
(конспект лекций)
Рекомендовано
ФГОБУ ВПО «Московский технический университет связи и
информатики» в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по специальности
210302 - «Радиотехника».
Регистрационный номер рецензии 2524 от 10.10 2013г ФГБОУ
ВПО МГУП
Самара - 2015
УДК 621.396.62
Галочкин В.А.
Устройства приема и обработки сигналов. Учебное пособие
(конспект лекций) - Самара: ФГОБУ ВПО ПГУТИ, 2015г - 425 с
ISBN 978-5-904029-40-1
Учебное издание по учебной дисциплине «Устройства приема и
обработки сигналов» состоит из учебного пособия - «Конспект лекций» и учебного пособия - «Методическая разработка к лабораторным
работам». В конспекте лекций изложены основы теории и построения
устройств приема и обработки сигналов (УПОС). В первом разделе
конспекта лекций приведены краткие сведения о работе основных
узлов УПОС додетекторного тракта (входных цепей, усилителей радиочастоты, преобразователей частоты, амплитудных и частотных детекторов, устройств автоматической регулировки усиления, устройств
автоматической подстройки частоты в УПОС). Во втором разделе конспекта лекций рассмотрены вопросы радиоприема и обработки непрерывных, дискретных и широкополосных сигналов. В учебном пособии - «Методическая разработка к лабораторным работам» по каждому теоретическому разделу конспекта лекций приведены методические разработки по выполнению соответствующих лабораторных
работ. Учебное издание предназначено для студентов радиотехнических и телекоммуникационных специальностей дневной и заочной
форм обучения, а также инженеров, изучающих радиотехнические системы и устройства.
Рецензенты:
А.И.Тяжев - д.т.н., профессор, проректор ФГОБУ ВПО
ПГУТИ
С.В. Севостьянов - к.т.н., начальник научного отдела ФГУП НИИР СОНИИР
ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет
телекоммуникаций и информатики»
ISBN 978-5-904029-40-1
© Галочкин В.А., 2015г
• Галочкин Владимир Андреевич;
доцент, заместитель заведующего
кафедрой радиосвязи, радиовещания
и телевидения; факультет телекоммуникаций
и
радиотехники
ПГУТИ;
• Ученая степень, звание - к.т.н.,
с.н.с.; почетный радист.
• Область научных интересов:
надежность радиоэлектронных устройств; электроника и схемотехника,
наноэлектроника.
• автор и руководитель внедренных разработок:
- по автоматизации, дистанционному контролю и управлению с использованием каналов радиосвязи мощными КВ радиопередатчиками
(радиоцентры г. Самары, Хабаровска, Москвы, московской области);
- по дистанционному контролю и управлению с использованием
каналов радиосвязи энергообъектами предприятий по добыче и переработке нефти Самарского региона ОАО «Самаранефтегаз»;
- по дистанционному телевизионному технологическому контролю и
наблюдению за объектами по переработке нефти предприятий ОАО
Самаранефтегаз» (комплексы установлены на объектах нефтедобычи
и нефтепереработки НГДУ «Кинельнефть», НГДУ «Первомайнефть», НГДУ «Жигулевскнефть» Самарского региона);
• автор более 50 опубликованных научных работ.
Содержание
Список сокращений и обозначений…………………………..12
Предисловие…………………………………………………......15
Лекция 1. Тема 1. Введение. Составные части
и функции устройств приема и обработки сигналов ……...20
1.1. Назначение и классификация УПОС…………………....20
1.2. Структурная электрическая схема приемника
прямого усиления………………………………………………..23
1.3. Структурная электрическая схема и принцип
работы супергетеродинного приемника…………….................24
1.4. Способы ослабления побочных каналов приема…….....29
1.5. Выводы по теме…………………………………………..31
1.6. Контрольные вопросы по теме раздела
«Введение»………………………………………………….........32
Лекция 2. Тема 2. Показатели качества устройств
приема и обработки сигналов………………………………..34
2.1. Чувствительность…………………………………….......34
2.2. Коэффициент шума и шумовая температура
приемника………………………………………………………...36
2.2.1. Определения коэффициента шума……………….....36
2.2.2. Определение шумовой мощности, поступающей
на вход приемника от антенны………………………………....40
2.2.3. Связь коэффициента шума приемника
с параметрами его отдельных каскадов………………………....41
2.2.4. Шумовая температура приемника………………......43
2.2.5. Связь коэффициента шума и чувствительности…...43
Лекция 3 2.3. Селективность…………………………………...45
2.4. Стабильность характеристик приемника……………......48
2.5. Искажения сигнала в приемнике. Динамический
диапазон…………………………………………………………..50
2.6. Выводы по теме…………………………………………...55
2.7. Контрольные вопросы по теме раздела «Показатели
качества устройств приема и обработки сигналов»…………...57
Лекция 4. Тема 3. Входные цепи радиоприемника………...59
3.1. Назначение, структура и классификация входных
4
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
цепей………………………………………………………….......59
3.2. Варианты схем входных цепей………………………... .61
3.2.1.Одноконтурная входная цепь с внешнеемкостной
связью с антенной………………………………………………..60
3.2.2. Входная цепь с двухконтурным полосовым
фильтром и трансформаторной связью с антенной…………...62
3.2.3. Входная цепь с дискретным конденсатором…..........63
3.2.4. Входная цепь с варикапной настройкой…………...64
3.3. Примеры схем входных цепей…………………………...66
3.4. Способы перекрытия диапазона частот……………. ..…68
3.5. Коэффициент передачи, селективность и полоса
пропускания одиночного колебательного контура входной
цепи……………………………………………………………....70
Лекция 5. 3.6. Определение затухания и емкости,
вносимых в контур следующим каскадом…………………….76
3.7. Входная цепь при связи с настроенной
антенной………………………………………………….....78
3.8. Входная цепь при связи с ненастроенной
антенной….....................................................................................82
3.8.1. Емкостная связь с антенной………………………...82
3.8.2. Индуктивная связь с антенной……………………...83
3.9. Выводы по теме……………………………………….85
3.10. Контрольные вопросы по теме раздела
«Входные цепи радиоприемника»……………………..............87
Лекция 6. Тема 4. Резонансные усилители
радиочастоты…………………………………………………...89
4.1.Назначение, классификация и требования
к резонансным усилителям……………………………………...89
4.2.Варианты схем резонансных усилителей
на невзаимных усилительных элементах……………………...90
4.3. Эквивалентная схема невзаимного усилительного
элемента…………………………………………………………..93
4.4. Анализ одноконтурного резонансного усилителя
с автотрансформаторным включением колебательного
контура…………………………………………………………...96
Лекция 7. 4.5. Резонансный усилитель в диапазоне
частот…………………………………………………………...101
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
5
4.6. Влияние внутренней обратной связи через
усилительный прибор на устойчивость работы
резонансного усилителя………………………………………...106
4.7. Способы повышения устойчивости усилителей……....112
Лекция 8. 4.8. Нелинейные явления в УРЧ………………....114
4.9. Полосовые усилители…………………………………...119
4.9.1. Двухкаскадный усилитель с одиночными
взаимно расстроенными контурами (расстроенная пара)…....119
4.9.2. Усилитель с двухконтурным полосовым
фильтром………………………………………………………...123
4.10. Усилитель с электромеханическим фильтром……….124
Лекция 9. 4.11.Усилитель с кварцевым фильтром………….125
4.12. Усилитель с фильтром на поверхностных
акустических волнах…………………………………………....127
4.13. Параметрические усилители СВЧ диапазона………...128
4.13.1. Регенеративный усилитель………………………...128
4.14. Выводы по теме………………………………………....131
4.15. Контрольные вопросы по теме раздела
«Резонансные усилители радиочастоты»………… …………..134
Лекция 10. Тема 5. Преобразователи частоты……………..137
5.1. Назначение, основные требования
и классификация преобразователей частоты………………….137
5.2. Варианты схем преобразователей частоты…………….141
Лекция 11. 5.3. Общая теория преобразователей частоты
на безынерционных преобразующих элементах……………...146
Лекция 12. 5.4. Частотная характеристика ПЧ…………….156
5.5. Свисты в преобразователях……………………………..158
5.6. Одноручечная настройка приемника. Сопряженная
настройка………………………………………………………...159
5.7. Диодные преобразователи……………………………....163
5.7.1. Диодный резистивный преобразователь частоты.....163
Лекция 13. 5.7.2. Диодный емкостный преобразователь
частоты…......................................................................................168
5.8. Выводы по теме…………………………………………..171
5.9. Контрольные вопросы по теме раздела
«Преобразователи частоты»………………………....................174
6
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Лекция 14. Тема 6. Амплитудные детекторы.…………… .176
6.1. Назначение, требования и классификация
амплитудных детекторов……………………………………….176
6.2. Параметрические АД (синхронные)…………………....179
6.3. Диодные амплитудные детекторы ……………………..181
6.4. Варианты построения аналоговых амплитудных
детекторов……………………………………………………….185
6.4.1. Последовательный амплитудный диодный
детектор в режиме детектирования сильного сигнала………185
Лекция 15. 6.4.2. Последовательный диодный детектор
в режиме детектирования слабых сигналов………………189
6.5. Эмиттерный детектор…………………………………….192
6.6. Диодный детектор с удвоением напряжения…………...193
6.7. Синхронный амплитудный детектор на
операционном усилителе……………………………………….195
6.8. Входное сопротивление последовательного
диодного АД……………………………………………………..196
Лекция 16. 6.9. Параллельный диодный детектор…………198
6.10. Нелинейные искажения при детектировании АМ
колебаний………………………………………………………..200
6.10.1. Искажения из-за нелинейности ВАХ……………...200
6.10.2. Искажения из-за большой постоянной времени
нагрузки…………………………………………………………200
6.10.3. Искажения из-за соизмеримости частоты
модуляции и частоты несущей ……………………………….201
6.10.4. Искажения из-за разделительного
конденсатора …………………………………………..............202
6.10.5. Искажения, обусловленные различием
сопротивлений нагрузки амплитудного детектора
по постоянному и переменному току………………………...204
6.11.Работа амплитудного детектора при
воздействии двух колебаний…………………………………..205
Лекция 17. 6.12. Детектирование радиоимпульсов……….209
6.13. Пиковый детектор……………………………………....212
6.14. Выводы по теме………………………………………....215
6.15. Контрольные вопросы по теме раздела
«Амплитудные детекторы»……………………………………219
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
7
Лекция 18. Тема 7. Амплитудные ограничители…………..221
7.1. Амплитудные ограничители (АО). Назначение.
Виды ограничителей………………………………………….....221
7.2. Варианты построения амплитудных ограничителей.....224
7.2.1. Амплитудный ограничитель с односторонним
ограничением и переменной отсечкой………………………....224
7.2.2. Двусторонний амплитудный ограничитель
7.3. Выводы по теме…………………………………………..228
7.4. Контрольные вопросы по теме раздела
«Амплитудные ограничители»…………………….................. .229
Тема 8. Детекторы угловой модуляции…….........................230
8.1. Аналоговые фазовые детекторы. Балансный
диодный фазовый детектор…………………………………….230
8.2. Кольцевой фазовый детектор…………………………..232
8.3. Ключевой фазовый детектор…………………………...234
8.4. Выводы по теме………………………………………....236
8.5. Контрольные вопросы по теме раздела
«Детекторы угловой модуляции»……………………………...236
Лекция 19. Тема 9. Частотные детекторы…………………238
9.1. Назначение, основные характеристики частотных
детекторов…………………………………………………….....238
9.2. Принципы частотного детектирования………………..240
9.2.1. Частотный детектор с использованием
преобразователя частотно-модулированного сигнала
в АЧМ сигнал…………………………………………………....242
9.2.2. Частный детектор с использованием
фазосдвигающей цепи…………………………………………..243
9.3. Варианты построения аналоговых частотных
детекторов……………………………………………………….246
9.3.1. Балансный детектор со связанными контурами….246
9.3.2. Балансный диодный частотный детектор
с взаимно расстроенными контурами………………………….251
Лекция 20. 9.3.3. Дробный частотный детектор (детектор
отношений)……………………………………………………....253
9.3.4. Мультипликативный частотный детектор………...260
9.4. Выводы по теме…………………………………….264
9.5. Контрольные вопросы по теме раздела
8
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
«Частотные детекторы»………………………………………...266
Лекция 21. Тема 10. Регулировки в радиоприемнике…….267
10.1. Назначение и виды регулировок в РПУ……………...267
10.2. Принцип действия, классификация систем
автоматической регулировки усиления(АРУ)………......267
10.3. Структурные электрические схемы АРУ……….271
10.3.1. Обратная АРУ……………………………………….271
10.3.2. Прямая АРУ………………………………………....272
10.3.3. Смешанная (комбинированная) АРУ…………….273
10.3.4. Режимная АРУ……………………………………...274
10.4. Варианты схем электронных регуляторов усиления....276
10.4.1. Регулятор усиления на полевом транзисторе……...276
Лекция 22. 10.4.2. Регулятор усиления на основе
трехтранзисторного дифференциального каскада…………...277
10.4.3. Регулятор усиления изменением глубины
отрицательной обратной связи………………………………...278
10.4.4. Регулятор усиления на операционном
усилителе с дискретной коммутацией резисторов,
включенных в цепь обратной связи…………………………..279
10.4.5. Регулятор усиления на основе делителя
напряжения с регулируемым коэффициентом усиления…….280
10.5. Характеристика регулирования простой обратной
АРУ……………………………………………………………....281
10.6. Регулировка полосы пропускания…………………….283
Лекция 23. 10.7. Частотная автоматическая подстройка
частоты……..................................................................................285
10.7.1. Классификация устройства автоматической
подстройки частоты…………………………………………….286
10.7.2. Характеристика регулирования системы АПЧ……292
Лекция 24. 10.8. Фазовая автоматическая автоподстройка
частоты….....................................................................................299
10.8.1. Структурная схема додетекторного тракта
приемника с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ).
Фазовый портрет………………………………………………..299
10.8.2. Характеристика регулирования системы ФАПЧ….302
10.9. Выводы по теме………………………………………....303
10.10. Контрольные вопросы по теме раздела по теме
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
9
раздела «Регулировки в радиоприемнике»…………………..307
Лекция 25. Тема 11. Радиоприем непрерывных
сигналов.......................................................................................310
11.1. Область применения и виды приемников…………….310
11.2. Радиоприем сигналов амплитудной модуляции……...314
11.2.1. Прохождение АМ сигнала через частотноизбирательную систему радиоприемника. Влияние
АЧХ и ФЧХ на искажения сигнала……………………………314
11.2.2. Взаимодействие сигнала и синусоидальной
помехи при детектировании…… ……………………………..318
Лекция 26. 11.2.3. Взаимодействие сигнала и шума
в амплитудном детекторе………………………………………320
11.2.4. Радиоприем однополосных сигналов……………....322
11.3. Радиоприем ЧМ сигналов………………………………324
11.3.1. Прохождение ЧМ сигнала через селективный
тракт приемника………………………………………………...324
11.3.2. Нелинейные искажения сигнала в частотном
детекторе………………………………………………………..327
11.3.3. Действие синусоидальной помехи на приемник
частотной модуляции…………………………………………..328
Лекция 27. 11.3.4. Действие флуктуационной помехи
на приемник частотной модуляции……………………………331
11.4. Выводы по теме………………………………………...337
11.5. Контрольные вопросы по теме раздела
«Радиоприем непрерывных сигналов»……………..................338
Лекция 28. Тема 12. Радиоприем дискретных
сигналов………………………………………………………...339
12.1. Радиоприем сигналов частотной манипуляции….......340
12.2. Радиоприем сигналов минимальной частотной
манипуляции…………………………………………………....346
Лекция 29. 12.3. Радиоприем сигналов фазовой
манипуляции….............................................................................348
12.4. Радиоприем сигналов фазоразностной
манипуляции.................................................................................352
12.4.1. Автокорреляционный демодулятор
сигнала ФРМ…………………………………………………….353
10
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
12.14.2. Когерентный демодулятор сигнала ФРМ……......354
12.5. Выводы по теме………………………………………...356
12.6. Контрольные вопросы по теме
раздела «Радиоприем дискретных сигналов»………………...357
Лекция 30. Тема 13. Радиоприём широкополосных
(шумоподобных) сигналов…………………………………...358
13.1. Сущность широкополосной связи…………………….358
13.2. Структурные схемы передатчика и приёмника
в системе с расширением спектра методом прямой
последовательности(Direct Sequence Spread Spectrum –
DSSS)……………………………………………………………361
13.3. Структурные схемы передатчика и приёмника
в системе с расширением спектра методом
скачкообразного изменения частоты…………………………366
Лекция 31. 13.4. Особенности использования РПУ
в системах приёма ШПС………………………………………369
13.4.1 Широкополосные входные каскады………………..369
13.4.2. Требования к системе АРУ…………………………370
13.5. Выводы по теме…………………………………………372
13.6. Контрольные вопросы по теме раздела «Радиоприём
широкополосных (шумоподобных) сигналов»……………..374
Лекция 32. Тема 14. Заключение. Пути развития
устройств приема и обработки сигналов………………….375
14.1. Краткая историческая справка по развитию УПОС.
Современная техника УПОС……………………………….375
14.2. Перспективы развития устройств приема
и обработки сигналов…………………………………………..381
Ответы на контрольные вопросы по темам…………….....386
Литература……………………………………………………..398
Глоссарий по темам…………………………………………...399
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
11
Список обозначений и сокращений
АД – амплитудный детектор;
АИМ – амплитудно-импульсная модуляция;
АМ – амплитудная модуляция;
АО - амплитудный ограничитель;
АПЧ – автоматическая подстройка частоты;
АРУ - автоматическая регулировка усиления;
АТ – амплитудное телеграфирование;
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика;
БМ – балансный модулятор;
ВАХ – вольтамперная характеристика;
ВРК – временное разделение каналов;
ВЦ – входные цепи;
ВЧ – высокие частоты;
ВШП - встречноштыревые преобразователи;
Г – гетеродин;
ГВЧ – гипервысокие частоты;
ГН – генератор несущей;
ГТП – главный тракт приема;
Д – детектор;
ДН – диаграмма направленности;
ДЧТ – двойное частотное телеграфирование;
D –динамический диапазон;
ИКМ - импульсно-кодовая модуляция;
ИМС –интегральная микросхема;
ИП – источник питания;
КВЧ – крайне высокие частоты;
ЛЗ – линия задержки;
МОП – металл – окисел – полупроводник;
МСП - магнитострикционный преобразователь;
МЧМ – минимальная частотная манипуляция;
НЧ - низкие частоты;
ОБ – общая база;
ОБП – одна боковая полоса;
ОВЧ – очень высокие частоты;
12
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
ОЗ – общий затвор;
ОИ – общий исток;
ОК – общеобразовательная компетенция;
ОН – остаток несущей;
ОНЧ - очень низкие частоты;
ООС – отрицательная обратная связь;
ОЭ – общий эмиттер;
П – полоса;
ПАВ - поверхностные акустические волны;
ПК – профессиональная компетенция;
ППРЧ – псевдослучайная перестройка рабочей частоты;
ПФ – полосовой фильтр;
ПХ – переходная характеристика;
ПЧ – преобразователь частоты;
ПЭ – преобразовательный элемент;
РПУ радиоприемное устройство;
РПДУ – радиопередающее устройство;
РЭО - радиоэлектронная обстановка;
ПУ – пороговое устройство;
СВЧ - сверхвысокие частоты;
СКК - сигнально-кодовая конструкция;
СМ – смеситель;
СРС – сигналы с расширением спектра;
СЧ – средние частоты;
Se – селективность;
ТЛВ – телевидение;
УВЧ - ультравысокие частоты;
УКВ – ультракороткие волны;
УПОС – устройства приема и обработки сигналов;
УПЧ – усилитель промежуточной частоты;
УРЧ – усилитель радиочастоты;
УЧМ – усилитель частоты модуляции;
УФОН - устройство формирования опорного напряжения;
УЭ – усилительный элемент;
Ф – фильтр;
ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты;
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
13
ФГОС ВПО - федеральные государственные образовательные
стандарты высшего профессионального образования;
ФД - фазовый детектор;
ФИМ – фазово-импульсная модуляция;
ФМ – фазовая модуляция;
ФНЧ – фильтр низкой частоты;
ФРМ - фазоразностная манипуляция;
ФЧХ – фазочастотная характеристика;
ЧАПЧ - частотная автоматическая подстройка частоты;
ЧД – частотный детектор;
ЧМ – частотная модуляция;
ШИМ – широтно-импульсная модуляция;
ШПС – широкополосная система связи;
ЭДС – электродвижущая сила;
14
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Предисловие
В настоящее время в системе высшего образования внедряются федеральные государственные образовательные стандарты
высшего профессионального образования (ФГОС ВПО). Они
представляют собой совокупность требований, обязательных
при реализации основных образовательных программ бакалавриата и магистратуры по соответствующим направлениям подготовки всеми образовательными учреждениями высшего профессионального образования (высшими учебными заведениями)
на территории Российской Федерации, имеющими государственную аккредитацию.
В соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению
подготовки «Радиотехника» /1/:
- «…область профессиональной деятельности бакалавров и магистров включает исследования и разработки, направленные на
создание и обеспечение функционирования устройств и систем,
основанных на использовании электромагнитных колебаний и
волн и предназначенных для передачи, приема и обработки информации»,…
Ниже приведены некоторые выдержки из ФГОС направлению
подготовки «Радиотехника», определяющие требования, которым должен отвечать специалист по окончании обучения.
Выпускник по направлению подготовки «Радиотехника» с
квалификацией (степенью) «бакалавр»:
должен обладать следующими компетенциями (общеобразовательными - ОК и профессиональными – ПК):
- использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и
экспериментального исследования (ОК-10);
- владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией
(ОК-12);
- владеть методами решения задач анализа и расчета характеристик электрических цепей (ПК-4),
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
15
- владеть основными приемами обработки и представления
экспериментальных данных (ПК-5).
- уметь осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования деталей, узлов и устройств радиотехнических систем (ПК-9);
- готов выполнять расчет и проектирование деталей, узлов и
устройств радиотехнических систем в соответствии с техническим заданием с использованием средств автоматизации проектирования (ПК-10);
- способен выполнять математическое моделирование объектов и процессов по типовым методикам, в том числе с использованием стандартных пакетов прикладных программ (ПК-19);
- способен реализовывать программы экспериментальных
исследований, включая выбор технических средств и обработку
результатов (ПК-20);
В результате изучения базовой части цикла обучающийся
должен знать:
- технологию работы на ПК в современных операционных
средах, основные методы разработки алгоритмов и программ,
структуры данных, используемые для представления типовых
информационных объектов, типовые алгоритмы обработки данных;
- основные типы активных приборов, их модели и способы их
количественного описания при использовании в радиотехнических цепях и устройствах; методы анализа цепей постоянного и
переменного тока во временной и частотной областях;
- основные структуры и схемотехнику устройств приема и
обработки сигналов;
должен уметь:
- использовать стандартные пакеты прикладных программ
для решения практических задач; представлять технические решения с использованием средств компьютерной графики и геометрического моделирования;
- применять компьютерные системы и пакеты прикладных
программ для проектирования и исследования радиотехнических устройств;
16
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Выпускник по направлению подготовки «Радиотехника» с
квалификацией (степенью) «магистр»:
должен обладать следующими компетенциями:
- уметь проектировать радиотехнические устройства, приборы, системы и комплексы с учетом заданных требований (ПК9);
- способен выполнять моделирование объектов и процессов с
целью анализа и оптимизации их параметров с использованием
имеющихся средств исследований, включая стандартные пакеты
прикладных программ (ПК-17);
- способен к организации и проведению экспериментальных
исследований с применением современных средств и методов
(ПК-19);
- готов к составлению обзоров и отчетов по результатам проводимых исследований, подготовке научных публикаций и заявок
на изобретения, разработке рекомендаций по практическому
использованию полученных результатов (ПК-20);
должен знать:
- основные методы приема сигналов, обеспечения основных
характеристик радиоприемных устройств, принципы построения усилительно-преобразовательных трактов; принципы работы систем автоматического регулирования в устройствах
приема и обработки радиосигналов;…
должен уметь:
применять методы экспериментального исследования радиоприемников и их функциональных узлов /1/…
В соответствии с требованиями ФГОС ВПО в данном учебном
пособии изложены основы теории устройств приема и обработки сигналов (УПОС). Основное внимание уделено исследованию узлов и устройств додетекторного тракта, выполненных на
основе аналоговых устройств. Приведены краткие сведения о
работе основных узлов УПОС (входных цепей, усилителей радиочастоты, преобразователей частоты, амплитудных и частотных детекторов, устройств автоматической регулировки усиления; систем автоматической подстройки частоты). Каждый теоретический раздел сопровождается методическими разработками по выполнению соответствующих лабораторных работ /3/.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
17
Такое изложение материала, по мнению автора, способствует
лучшему освоению студентами основных положений теории
УПОС.
В соответствии с требованиями ФГОС ВПО направлению подготовки «Радиотехника» (см. компетенции ОК-10, ОК-12, ПК19 для бакалавров и компетенции ПК-17, ПК-19 для магистров),
в данном учебном пособии выполнение лабораторных работ
предлагается выполнять путем моделирования основных узлов
УПОС с использованием прикладных программ «Elektroniks
Workbench (EWB) и «Multisim». Такое решение наиболее полно
приближает образовательный процесс к удовлетворению требований ФГОС ВПО. При выполнении лабораторных работ студенты осваивают работу с пакетами прикладных программ, методы моделирования радиотехнических устройств, методы расчетов и обработки результатов экспериментов.
С учетом выше приведенных особенностей выполнения лабораторных работ, материалы данного пособия успешно используются и при изучении других дисциплин. Лабораторные работы
по исследованию амплитудных и частотных детекторов, устройств автоматической регулировки усиления, систем автоматической подстройки частоты уже используются или могут быть
использованы при изучении таких дисциплин, как «Основы
теории управления», «Теория управления и радиоавтоматика»,
«Радиоавтоматика», «Технические средства автоматизации и
управления», «Теория автоматического управления».
Примечание. Появление соответствующего программного обеспечения, использование интерактивного (диалогового) режима
позволили в настоящее время перейти к моделированию радиосхем при их изучении. При моделировании можно более точно
учесть процессы в электронных схемах, что, естественно, приводит к усложнению и эквивалентных схем и уравнений, их
описывающих. При моделировании электронные схемы представляются математической моделью, под которой понимается
система уравнений, описывающая процессы в схеме.
Однако использование компьютеров при моделировании не освобождает студентов от анализа полученных материалов, которые могут быть успешными только в том случае, если студент
18
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
хорошо понимает физическую сущность процессов, происходящих в разрабатываемой схеме, и осознает технические ограничения ее реализации/4/.
Небольшое замечание по вопросу изучения аналоговых и цифровых устройств. Несмотря на доминирование цифровых электронных компонентов, процентная доля аналоговых устройств
на рынке электроники составляет 20 … 25%. Это означает, что
квалифицированные специалисты по аналоговой схемотехнике
будут востребованы еще многие годы.
Американские специалисты считают, что, для выпускников вузов, решивших специализироваться в области аналоговой техники, необходим срок 5 – 10 лет, в то время как для аналогичного уровня освоения цифровой техники достаточно одного года.
Выход один – молодым инженерам следует (кроме вузовского
курса) осваивать современные электронные устройства самостоятельно, используя советы специалистов и (прежде всего)
книги/5/.
Автор выражает признательность к.т.н., доценту кафедры
«Радиосвязь, радиовещание и телевидение» ПГУТИ Ивановой
В.Г. за предоставленные материалы по ряду разделов лекций и
лабораторным работам (по устройствам додетекторного тракта,
по ряду вопросов радиоприема непрерывных, дискретных и широкополосных сигналов), оказанную помощь и советы при подготовке материалов данного пособия.
Автор выражает признательность рецензентам д.т.н., профессору А.И. Тяжеву и к.т.н. С.В. Севостьянову за их нелегкий труд
по рецензированию пособия.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
19
Лекция 1
Тема 1. Введение. Составные части и функции
устройств приема и обработки сигналов (УПОС)
1.1. Назначение и классификация УПОС
Устройством приема и обработки сигнала называется устройство для улавливания, преобразования и использования энергии
электромагнитных волн. Оно состоит из антенны, радиоприемника и оконечного устройства.
Антенна предназначена для улавливания и преобразования
энергии электромагнитных волн в радиотехнические токи и напряжения и обеспечения пространственной, поляризационной и
частотной селекции.
Радиоприемник предназначен для усиления, селекции и детектирования сигнала. Приемник всегда реализует частотную
селекцию, так как существует международное и государственное регулирование распределения частот между службами радиосвязи и радиовещания и радиосистемами, входящими в каждую службу. Кроме того радиоприемник может обеспечивать
амплитудную селекцию (при приеме импульсных сигналов с
помощью пороговых цепей), временную (путем отпирания приемника на время, соответствующее ожидаемому приходу сигнала), по форме сигнала (например, по его кодовой структуре).
Оконечное устройство обрабатывает и воспроизводит сообщение в требуемой форме (звук, печатный текст, команды
управления или сигнализации и т.д.)
Устройство приема и обработки сигналов может быть составной
частью радиосистемы (рис.1.1).
Самая большая радиосистема - система звукового и телевизионного вещания. Соизмеримой с ней становится система персональной радиосвязи. В настоящее время УПОС становится составной частью Интернета (с использованием малогабаритных
радиомодемов, встраиваемых в компьютер).
УПОС имеет свои особенности построения при использовании
его как составной части радиосистем: систем радиосвязи, ра20
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
диовещания и телевидения, имеющих информационное назначение.
Рис.1.1. Структурная схема радиосистемы
УПОС имеет свои специфические особенности построения
при использовании в системах специального назначения: радиосвязи (космическая, магистральная, внутризоновая, местная,
технологическая), в радиовещании (монофоническое, местное,
технологическое), в радиовещании (монофоническое, стерео,
квадрофоническое), в телевидении (монохромное, цветное,
цифровое, специального назначения - медицина, охрана, и т.д.).
Соответственно, устройства приема и обработки сигналов
классифицируются:
по функциональному назначению:
- радиовещательные,
- телевизионного вещания,
- связные,
- радиолокационные,
- радионавигационные,
- радиотелеметрические,
- измерительные и др.);
по диапазону волн принимаемых сигналов:
- от приемников мириаметровых волн (100 - 10 км),
- до приемников децимиллиметровых волн (1 - 0.1
мм); (названия радиотехнических диапазонов и волн приведены в табл.1.1);
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
21
Радиочастота
наименование
ОНЧ
НЧ
СЧ
ВЧ
ОВЧ
УВЧ
СВЧ
КВЧ
(крайне)
ГВЧ
(гипер)
Оптические
Диапазон
частот
3-30 кГц
30-300
кГц
300-3000
кГц
3-30 мГц
Радиоволна
наименование
Мириаметровые
Километровые
табл. 1.1
длина
волны
10-100 км
1-10 км
Гектометровые
100-1000 м
Декаметровые
10-100 м
30-300
мГц
300-3000
мГц
3-30 ГГц
Метровые
1-10 м
Дециметровые
10-100 см
Сантиметровые
1-10 см
Миллиметровые
1-10 мм
Децимиллиметровые
0.1-1 мм
Инфракрасные
Видимые
Ультрафиолетовые
100- 0,74
мкм
0,74-0,38мкм
0,38-0,01мкм
30-300
ГГц
300-3000
ГГц
З-30000
ТГц
по виду модуляции принимаемых сигналов:
- радиоприемники амплитудной модуляции,
- частотной модуляции,
- фазовой модуляции,
- однополосной модуляции,
- кодово-импульсной модуляции,
- широтно-импульсной модуляции и др.
по роду принимаемой информации:
- радиотелефонные,
- радиотелеграфные,
- фототелеграфные,
- телевизионные и др.;
по месту установки:
- стационарные,
- бортовые,
- переносные;
22
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
по принципу построения структурной электрической схемы:
- прямого усиления,
- супергетеродинные,
- регенеративные и др.
1.2. Структурная электрическая схема приемника
прямого усиления
Приемник прямого усиления (рис.1.2) состоит из входной цепи
(ВЦ), усилителя радиочастоты (УРЧ), детектора (Д) и усилителя
продетектированного сигнала.
Рис.1.2. Структурная электрическая схема приемника
прямого усиления
Входная цепь предназначена для предварительной селекции сигнала.
Усилитель радиочастоты в приемнике прямого усиления предназначен для усиления сигнала до уровня, необходимого для нормальной работы детектора, и для селекции сигнала.
Детектор предназначен для преобразования модулированного радиочастотного сигнала в низкочастотный сигнал, изменяющийся по закону модуляции.
Усилитель продетектированного сигнала F предназначен
для усиления сигнала до уровня, необходимого для нормальной
работы оконечного устройства.
В начале века в приемниках прямого усиления для приема на
слух телеграфных сигналов применяли дополнительный гетеродин (генератор), частота колебаний которого отличалась от
частоты принимаемого сигнала fс на величину звуковой частоты Fзв. Такой приемник называли гетеродинным (рис.1.3).
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
23
Рис.1.3. Структурная электрическая схема
гетеродинного приемника
Недостатками приемника прямого усиления являются:
- трудность обеспечения высокого устойчивого усиления на
радиочастоте,
- трудность получения высокой селективности на радиочастоте,
- конструктивная сложность диапазонного приемника, так
как все каскады до детектора должны перестраиваться,
- непостоянство параметров диапазонного приемника в пределах поддиапазона.
Указанные недостатки привели к замене приемника прямого
усиления супергетеродинным.
1.3. Структурная электрическая схема и принцип
работы супергетеродинного приемника
Супергетеродинный приемник (рис.1.4) отличается от приемника прямого усиления двумя каскадами:
- преобразователем частоты и
- усилителем промежуточной частоты.
С помощью преобразователя частоты осуществляется перенос спектра принимаемого сигнала в область более низких промежуточных частот.
Преобразователь частоты состоит из смесителя и гетеродина.
Смеситель состоит из преобразующего элемента и фильтра промежуточной частоты.
24
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис.1.4. Структурная электрическая схема
супергетеродинного радиоприемника
Под действием напряжения гетеродина крутизна преобразующего элемента становится функцией времени (рис.1.5).
Рис.1.5. Изменение крутизны во времени под действием
напряжения гетеродина
Из рисунка следует:
в режиме усиления
i  s u ,
где s - крутизна в рабочей точке;
в режиме преобразования:
 i  s t  u ,
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
25

где s  t   S 0   S n cos г t .
n 1
При действии на входе преобразующего элемента напряжения
 u  U cos  t   его выходной ток равен



ist u S   S cos t U cos t  S U cos t  
 0
n
г 
0
n 1


1 
1 
  S U cos n  t     S . U cos n  t  
г
г
2 n 1 n
2 n 1 n

 
Пусть   с , U  U c ,
Тогда при

(1.1)
 
  c .
пр  n г  с получим:
1
пр  с , Iпр  Sn U c ,
2
а при пр  с  n г имеем
1
пр  с , I пр  Sn U c .
2
Из последних соотношений видно, что существует линейная
зависимость между промежуточной частотой и частотой сигнала, между фазой колебания промежуточной частоты и фазой
сигнала, между амплитудой тока промежуточной частоты и амплитудой напряжения сигнала. Следовательно, преобразование
частоты не изменяет закона модуляции при ЧМ, ФМ и АМ, а
значит, допустимо в радиоприемнике.
При n=1 преобразование частоты называется простым, при
n>1 - комбинационным.
Преимущества супергетеродинного приемника:
- возможность обеспечения высокого устойчивого усиления на более низкой промежуточной частоте,
- возможность обеспечение высокой селективности на более низкой промежуточной частоте,
26
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
- конструктивная простота диапазонного приемника из-за
необходимости перестройки только преселектора (входные цепи
и УРЧ) и гетеродина,
- постоянство основных показателей качества диапазонного приемника при его перестройке в пределах диапазона.
Недостатком супергетеродинного приемника является наличие
побочных (дополнительных, паразитных) каналов приема. Рассмотрим механизм их возникновения.
Обратимся к выражению (1.1) для тока на выходе преобразующего элемента. Выясним, при каких значениях частоты 
колебания, действующего на сигнальном входе преобразующего
элемента, в выходном токе i присутствует составляющая
промежуточной частоты, и какова амплитуда этой составляющей.
Результат анализа этого выражения сведем в табл.1.2.
Частота колебания
на сигнальном входе fс
табл.1.2
Амплитуда тока
промежуточной частоты Iпром
f пром
S 0U
n f г + f пром
0.5 S n U
n f г -f пром
0.5 S n U
На основании данных таблицы построим зависимость амплитуды тока промежуточной частоты и амплитуды напряжения
промежуточной частоты на выходе преобразователя от частоты
колебания на сигнальном входе (рис.1.6).
Рис.1.6. Частотная характеристика преобразователя частоты
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
27
На рисунке амплитуда тока I пр представлена вертикальными
отрезками, а амплитуда напряжения промежуточной частоты
U пр резонансными кривыми фильтра промежуточной частоты.
Зависимость амплитуды напряжения промежуточной частоты
от частоты колебания на сигнальном входе при постоянных
значениях частоты гетеродина, амплитуде напряжения гетеродина и амплитуде напряжения входного колебания называется
частотной характеристикой преобразователя частоты (рис.1.6):
Разностное преобразование вида f  f  f
называют
пр
c
г
“нижней” настройкой гетеродина, а преобразование
 f
f
 f  f - “верхней” настройкой, но всегда f
пр
г
пр
с
вида
.
min с
Если сигнал находится в диапазоне частот f
, то
f
с min
c max
делают сопряженную настройку гетеродина f
,
 f
г min
обеспечивая получение
f
пр
г max
во всем диапазоне изменения
 const
частоты сигнала.
Полоса частот со спектром сигнала - это основной канал приёма. Кроме основного сигнала в этом канале могут присутствовать нежелательные сигналы – помехи. Эти помехи имеют разную причину их возникновения.
Один из видов помех –
помехи по соседнему каналу, когда частоты соседних каналов
ввиду их близости могут попадать в спектр основного канала
приема, искажая полезный сигнал.
Другой вид помех – побочные каналы приема - обусловлен продуктами преобразования частоты помехи вида mf  nf  f .
п
Совпадая с полезной частотой
f
г
пр
, помехи накладываются
пром
на основной сигнал и искажают его.
Наиболее опасными частотами помех данного вида являются
частота зеркального канала fзерк и канал приема по проме-
28
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
жуточной частоте, когда частота помехи fп совпадает с частотой f пром (рис.1.6).
Помеха с частотой fзерк, попадая на вход преобразователя,
взаимодействуя с частотой гетеродина, создает «ложную» частоту f
, которая будет искажать основной сигнал. Помеха с
пром
частотой fп = f пром будет просто усиливаться, также искажая
основной сигнал.
Существуют также каналы приёма, связанные с действием
гармоник гетеродина. Требование высокой селективности по
соседнему и зеркальному каналам вынуждают применять в приемнике специальные меры: 2 или 3 последовательных преобразования с последующей отфильтровкой помех.
Кроме того, применяют специальные меры по стабилизации
частоты гетеродина.
Наличие побочных каналов приема является недостатком супергетеродинного приемника.
1.4. Способы ослабления побочных каналов приема
1. Правильный выбор преобразующего элемента и режима его работы. Если в качестве преобразующего элемента используется идеальный перемножитель напряжений сигнала и
гетеродина, то существует только один побочный канал приема
- зеркальный канал.
2. Повышение селективности входных цепей и УРЧ (преселектора) по побочным каналам приема
3. Применение двойного преобразования частоты с высокой первой промежуточной частотой и низкой второй. За счет
высокой первой ПЧ повышается селективность по зеркальному
каналу. За счет низкой второй ПЧ повышается селективность по
соседнему каналу, т.е. по отношению к помехам, частоты которых близки к частоте принимаемого сигнала. Первая промежуточная частота может быть выбрана даже выше частоты принимаемого сигнала. При этом вместо перестраиваемого в пределах
диапазона преселектора можно использовать неперестраиваеВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
29
мый широкополосный преселектор, полоса пропускания которого равна ширине поддиапазона приемника (рис.1.7). Из рисунка видно, что использование неперестраиваемого преселектора возможно, если выполняется условие зк min  c max .
Рис.1.7. Расположение частот сигнала, гетеродина и зеркального
канала при пр1  c max
4. Использование фазокомпенсационного способа подавления зеркального канала.
Структурная схема преобразователя частоты, в котором реализован этот способ, приведена на рис.1.8 для случая, когда

пр
   .
c
г
Рис.1.8. Фазокомпенсационный способ подавления
зеркального канала
30
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Преобразователь состоит из двух смесителей, гетеродина, двух
фазовращателей и устройства сложения сигналов.
Пусть на входе действует сигнала: u  u c .
Тогда
u пр1  U пр cos(( c  г )t), u пр 2  U пр cos(( c  г )t  0.5),
u пр3  U пр cos(( c  г )t  0.5  0.5 ) ,
u вых  2U пр cos((c  г )t) .
Пусть на входе действует помеха зеркального канала: u  u зк .
Тогда
u пр1  U пр cos((г  зк )t), u пр2  U пр cos((г  зк )t  0.5),
u пр3  U пр cos(( г  зк )t  0.5  0.5) , u вых  0 .
1.5. Выводы по теме
1. Устройством приема и обработки сигнала называется устройство для улавливания, преобразования и использования
энергии электромагнитных волн. Оно состоит из антенны, радиоприемника и оконечного устройства;
2. Устройство приема и обработки сигналов может быть составной частью радиосистемы;
3. Устройства приема и обработки сигналов классифицируются:
по функциональному назначению:
по диапазону волн принимаемых сигналов:
по виду модуляции принимаемых сигналов:
по роду принимаемой информации:
по месту установки:
по принципу построения структурной электрической
схемы:
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
31
4. Супергетеродинный приемник (рис.1.4) отличается от приемника прямого усиления двумя каскадами: преобразователем
частоты и усилителем промежуточной частоты. С помощью
преобразователя частоты осуществляется перенос спектра принимаемого сигнала в область боле низких промежуточных частот.
5. Преобразование частоты не изменяет закона модуляции
при ЧМ, ФМ и АМ, а значит, допустимо в радиоприемнике.
6. Преимущества супергетеродинного приемника:
- возможность обеспечения высокого устойчивого усиления
на более низкой промежуточной частоте,
- возможность обеспечение высокой селективности на более
низкой промежуточной частоте,
- конструктивная простота диапазонного приемника из-за необходимости перестройки только преселектора (входные цепи и
УРЧ) и гетеродина,
- постоянство основных показателей качества диапазонного приемника при его перестройке в пределах диапазона.
7. Недостатком супергетеродинного приемника является наличие побочных (дополнительных, паразитных) каналов приема.
8. Способами ослабления побочных каналов приема являются:
- правильный выбор преобразующего элемента и режима
его работы;
- повышение селективности входных цепей и УРЧ (преселектора) по побочным каналам приема;
- применение двойного преобразования частоты с высокой
первой промежуточной частотой и низкой второй;
- использование фазокомпенсационного способа подавления зеркального канала.
1.6. Контрольные вопросы по теме
«Составные части и функции устройств
приема и обработки сигналов (УПОС)»
1.Что называется устройством приема и обработки сигнала?
2. Для чего предназначена антенна радиоприемника?
32
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
3. Для чего предназначен радиоприемник?
4. Для чего предназначено оконечное устройство радиоприемника?
5. Приведите структурную схему радиосистемы с элементами
УПОС;
6. Приведите классификацию устройства приема и обработки
сигналов;
7. Приведите структурную электрическую схему приемника
прямого усиления и назначение его элементов;
8. Приведите структурную электрическую схему гетеродинного приемника и назначение его элементов;
9. Приведите структурную электрическую схему супергетеродинного радиоприемника и назначение его элементов;
10. Для чего предназначен преобразователь частоты радиоприемника? Каков принцип его работы?
11. В чем заключаются преимущества и недостатки супергетеродинного приемника?
12. Приведите частотную характеристику преобразователя
частоты;
13. Что такое «побочные каналы приема»
в супергетеродинном приемнике?
14. Что такое «помехи по соседнему каналу» в супергетеродинном приемнике?
15. Приведите основные способы ослабления побочных каналов приема в супергетеродинном приемнике?
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
33
Лекция 2
Тема 2. Показатели качества УПОС
2. 1. Чувствительность
Чувствительность – способность приемника принимать слабые сигналы. Количественной мерой чувствительности является минимальный уровень сигнала в антенне (ЭДС Еа, мкВ - в
дипазоне частот до УВЧ, или мощность Ра, мкВт – в диапазоне
частот от СВЧ и выше), при котором переданная информация
воспроизводится с заданной мерой качества. Критерий качества
определяется видом принимаемого сигнала. При телефонии это
отношение сигнал/шум на выходе приемника. При приеме цифровых двоичных сигналов – вероятность ошибки.
Факторы, ограничивающие чувствительность:
 Усиление приемника,
 Помехи радиоприему
Напряжение на выходе линейного додетекторного тракта приемника прямо пропорционально ЭДС в антенне EA и коэффициенту усиления этого тракта K:
U вых  E A K .
Поэтому при заданном постоянном значении U вых значение требуемой ЭДС в антенне обратно пропорционально коэффициенту
усиления (рис.2.1).
Рис. 2.1. Зависимость чувствительности приемника
от коэффициента усиления (до входа детектора)
34
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Как видно из рисунка, нижний порог чувствительности ограничен двумя порогами.
Первый порог – это чувствительность, ограниченная внутренними помехами - шумами (это параметр собственно приемника).
Этот порог используется при проектировании и использовании,
например, РПУ планетного радиолокатора с чувствительностью
РА=10 –21 Вт в диапазоне СВЧ, где уровень внешних помех мал.
Основными источниками внутренних (собственных) шумов
приемника являются:
- тепловые шумы резисторов, конденсаторов;
- шумы транзисторов (дробовые шумы – шумы, обусловленные флуктуацией эмиттерного и коллекторного переходов;
шумы перераспределения токов между электродами; тепловые
шумы активных сопротивлений базы и коллектора);
- шумы антенны (тепловые шумы активного сопротивления потерь антенны и шумы приема шумовых излучений окружающей среды).
Второй порог - чувствительность, ограниченная внешними помехами. Этот порог используется при проектировании, например, РПУ декаметрового диапазона с чувствительностью ЕА=
0.5..15 мкВ (в этом диапазоне большой уровень внешних помех).
Основными внешними помехами приемника являются:
- мультипликативные помехи. Среда распространения
содержит неоднородности, вызывающие поглощение и рассеяние энергии сигнала, многолучевое распространение, допплеровский сдвиг частоты, изменение поляризации волн. В результате возникают замирания, искажается форма сигнала, возникает интерференция, т.е. возникают помехи из-за случайных изменений комплексной передаточной функции среды распространения;
- аддитивные помехи - помехи, суммирующиеся с полезным сигналом; в зависимости от того, где находится источник
искажения сигнала – различают внутриканальные или внеканальные;
- естественные помехи - атмосферные, шумы теплового
излучения земли, космические шумы;
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
35
- искусственные помехи - непреднамеренные и индустриальные; специально организованные;
- непреднамеренные - сторонние радиопередатчики, гетеродины близко расположенных приемников;
- индустриальные - промышленные объекты, медицинское оборудование, транспорт и т.д.
Помехоустойчивость - способность приемника противостоять
действию помех. Внутриканальные помехи убираются (уменьшаются) за счет помехоустойчивых кодов, специальной обработкой сигналов. Внеканальные помехи убираются за счет частотной селекции.
Наряду с измерением чувствительности в абсолютных единицах (вольтах и ваттах) используют относительную единицу измерения:
дБм – чувствительность относительно 1мВт, выраженную в децибелах
P 

 A мВт   .
P    10 lg 

A дБм 


1 мВт 




Например, чувствительность приемника беспроводного сетевого
адаптера стандарта 802.11b, используемого в ЛВС, при пропускной способности 2 Мбит/с может равняться –90 дБм. Каждый
адаптер состоит из высокоскоростного радиомодема, обеспечивающего прием и передачу сигналов, и процессора, отвечающего за сетевые функции, включая формирование кадров и реализацию алгоритма доступа к среде передачи.
2.2. Коэффициент шума и шумовая температура
приемника
2.2.1. Определения коэффициента шума
Есть два определения коэффициента шума.
1. Коэффициентом шума приемника называется отношение полной мощности шума на выходе додетекторного тракта
36
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
приемника к части этой мощности, которую создает включенный на вход эквивалент антенны.
Ш пр 
Р ш вых
(2.1)
Р ш вых 0
Существует две трактовки определения эквивалента антенны.
Первая трактовка: эквивалент антенны - это двухполюсник с
усредненными параметрами антенны, близкими к реальным (вероятным) параметрам антенны (рис.2.2):
Рис.2.2. Физический эквивалент открытой антенны
радиовещательного приемника НЧ, ВЧ диапазона
(L = 20мкГн; R1 = 50 Ом; С1 = 125 pФ;
R2 = 320 Ом; C2 = 400 pФ ;)
На низких и средних частотах сопротивление индуктивности
XL = ωL мало и эквивалентная схема может быть упрощена
(рис.2.3):
Рис.2.3. Эквивалент антенны приемника на НЧ (СЧ)
На высоких частотах сопротивление XL велико, сопротивления Xc1 и Xc2 малы и тогда эквивалентная схема принимает
вид (рис.2.4):
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
37
Рис.2.4. Эквивалент антенны приемника на ВЧ.
Приемную антенну можно представить в виде генератора ЭДС
Ėа или генератора тока İа (рис.2.5):
Рис.2.5. Представление приемной антенны в виде
генератора э.д.с. или генератора тока
где
E
Ia  a  E a  Ya ;
Z a
Z  r  jx ;
a
a
a
1
Ya 
 G a  jB a
Z
a
- комплексные сопротивление и проводимость антенны.
Ga 
ra
;
2
Z
Ba  
a
xa
2
Z
a
Вторая трактовка: эквивалентом антенны называется линейный
двухполюсник, сопротивление которого равно выходному сопротивлению антенны.
Сопротивление ненастроенной антенны, Żа зависит от
частоты случайным образом. Если ее размеры невелики по
сравнению с длиной волны, то эквивалент антенны может быть
представлен (рис.2.6):
38
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис.2.6. Эквивалент антенны при малых ее размерах
по сравнению с длиной волны
В диапазоне НЧ (СЧ) ωLA << 1/ωCA, тогда (рис.2.7):
Рис.2.7. Эквивалент антенны при малых ее размерах
по сравнению с длиной волны на НЧ
В диапазоне ВЧ Żа имеет сложный характер (как индуктивный, так и емкостный).
В диапазоне ОВЧ (более коротких волнах) используют антенны,
настроенные на среднюю частоту диапазона, где антенна обладает активным сопротивлением RA.
Если Rа равно сопротивлению фидера, то ее соединяют с ним
непосредственно. В других случаях используют специальные
согласующие устройства.
Реальная чувствительность (ограниченная внутренними шумами)
зависит от коэффициента усиления К, уровня собственных шумов, приведенных ко входу антенны, и требуемого порогового
превышения заданного уровня сигнала над шумами.
2. Коэффициентом шума приемника называется величина,
которая показывает, во сколько раз отношение сигнал/шум на
входе приемника больше отношения сигнал/шум на его выходе
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
39
Ш пр 
Р с вх Р ш вх
(2.2)
Р свых Р ш вых
Эти определения эквивалентны, т.к.
Шпр = Рс вхРш вых/Р с выхРш вх = Рш вых/Рш вхК = Рш вых/Рш вых0
2.2.2. Определение шумовой мощности,
поступающей на вход приемника от антенны
В частотных диапазонах, где важную роль играет коэффициент шума, используются настроенные антенны, т.е. антенны,
сопротивление которых носит резистивный характер. Поэтому
эквивалентом антенны является резистор – источник теплового
шума. Эквивалентная схема шумящего резистора, подключенного к входу приемника, имеет следующий вид (рис. 2.8)
I
RA
RВХ
E ШA
Рис.2.8. Эквивалентная схема шумящего резистора,
подключенного к входу приемника
Так как
I
EA
;
RA  RВХ ;
и
P
2
P  I  RВХ
то средний квадрат шумовой ЭДС
соотношением
40
E A2
R A  RВХ 2
 R ВХ ,
определяется следующим
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
(2.3),
E ША 2  4kT R A , (Вт ·Ω) (т.к. Ρ = E2/R)
Вт
где k  1.38  10 23
- постоянная Больцмана , T – темГц Град
пература по шкале Кельвина, (T=2900K- комнатная температура),
Вт , П – полоса частот, в которой производится
kT  4 10  21
Гц
измерение мощности шума.
Найдем шумовую мощность, поступающую на вход приемника
Р ш вх 
где
Еш А 2
 R A  R вх 
q1 
2
R вх  kTП
4 R A R вх
 R A  R вх 
2
4 R A R вх
 R A  R вх 
2
 kTП q1
(Вт)
(2.4),
- коэффициент согласования на входе
приемника. В режиме согласования q1=1, в режиме рассогласования q1<1.
2.2.3. Связь коэффициента шума приемника с
параметрами его отдельных каскадов
На рис.2.9 представлен додетекторный тракт приемника в виде
последовательно включенных шумящих каскадов, каждый из
которых характеризуется коэффициентом шума, коэффициентом усиления по мощности и коэффициентом согласования на
его входе.
Рис. 2.9. Последовательное соединение шумящих каскадов
додетекторного тракта приемника
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
41
Требуется выразить коэффициент шума приемника через параметры всех его каскадов.
По определению
Рш вых ,
Ш пр 
Рш вых 0
где
Рш вых0= кТПq1K1K2…KN,
Pш вых= Рш вых0 + ΔРш1K2… KN + ΔРш2 K3… KN + ΔРшN KN
Здесь
РШN - мощность шумов, генерируемая n-ым каскадом.
Для определения PШN воспользуемся определением коэффициента шума n – ого каскада
Kш n 
Pш вых n
Pш вых0n
,
где
Рш вых0n = кТПqnKn
Мощность шума, генерируемая n-ым каскадом, равна
ΔРш n = Pш вых n - Рш вых0 n = кТПqnKn(Шn -1)
Разделив
Pш вых на Pш вых 0 с учетом последнего соотношения,
получим
Шпр = Ш1 + (q2/q1)(Ш2 -1)/К1 + (q3/q1)(Ш3 -1)/К1К2 + ...
(2.5)
На основании последнего соотношения можно сделать следующие выводы:
42
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
1.Основной вклад в коэффициент шума вносят его первые
каскады.
2.Влияние последующих каскадов тем меньше, чем больше коэффициент усиления предшествующих каскадов.
2.2.4.
Шумовая температура приемника
Полная шумовая мощность на выходе приемника равна
Рш вых = кТПq1KШпр
Такую же мощность можно получить на выходе идеального нешумящего приемника с коэффициентом шума Шпр=1, если повысить температуру эквивалента антенны на некоторую величину Tпр
Рш вых = к(Т +Тпр)Пq1K
Приравняв правые части двух последних соотношений, получим
Т пр  Т  Ш пр  1 ,
Ш пр  1 
Т пр
Т
(2.6)
.
Шумовой температурой приемника называется величина эквивалентного повышения температуры эквивалента антенны, при
котором выходная шумовая мощность нешумящего идеального
приемника равна выходной шумовой мощности реального приемника.
2.2.5. Связь коэффициента шума
и чувствительности
Определим количественную меру чувствительности приемника,
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
43
задавшись отношением сигнал/шум на выходе додетекторного
тракта
Рсвых/Ршвылх= b
Входящие в последнее соотношение мощности сигнала и шума
определяются следующим образом
Рсвых = РАоq1K,
Ршвых= к Т П q1K Шпр
Из трех последних соотношений получим
РАо = кТ П Шпрb
(2.7)
Таким образом, количественная мера чувствительности по
мощности прямо пропорциональна коэффициенту шума.
Чувствительность, определенная при отношении сигнал /шум
на выходе додетекторного тракта, равном единице (b =1), называется пороговой. Она равна
PA0пор  kTП Ш пр .
(2.8)
Из соотношения для PA0 следуют способы повышения чувствительности приемника:
1.Снижение коэффициента шума за счет применения малошумящих входных каскадов с высоким коэффициентом усиления по мощности.
2. Сужение полосы пропускания приемников.
3.Применение помехоустойчивых демодуляторов, которые
работают при малых отношениях сигнал/шум.
44
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Лекция 3
2.3. Селективность
Селективностью называется способность радиоприемника
выделять полезный сигнал из спектра электромагнитных колебаний в месте приема.
Различают частотную, фазовую, амплитудную, временную,
пространственную, поляризационную селективность и селективность по форме сигнала.
Так как в радиовещании и большинстве систем радиосвязи сигналы различаются по частоте, то основным видом селективности является частотная селективность. Она применяется во
всех приемниках без исключения.
Количественной мерой селективности является отношение
уровня помехи к уровню сигнала на входе приемника, при котором получается заданное допустимое отношение сигнал/помеха
на выходе приемника
Se 
U П ВХ
U С ВХ
при
U С ВЫХ
U П ВЫХ
 b ДОП .
(2.9)
В отличие от помехоустойчивости и чувствительности селективность нельзя оценить одним числом, т.к. из-за наличия электронных приборов (транзисторов, микросхем) с нелинейными
характеристиками, эффекты, вызванные одновременным прохождением сигнала и помех, могут отличаться от тех, какие
имели бы место при их раздельном прохождении.
Различают односигнальную и многосигнальную селективности
Односигнальная селективность.
Способ измерения односигнальной селективности иллюстрируется рис. 2.10.
Он состоит в следующем:
- сначала на вход приемника подается сигнал с частотой
fc и с напряжением, равным чувствительности радиоприВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
45
емника UС ВХ = EA, и измеряется напряжение на его выходе
UC ВЫХ.,
Рис. 2.10. Схема измерения односигнальной
селективности
- затем сигнал с входа приемника снимается и подается помеха
с частотой fП; напряжение помехи на входе UП ВХ увеличивается
до тех пор, пока напряжение помехи на выходе не достигнет
значения
U П ВЫХ = U C ВЫХ/ b ДОП.
При определении
bДОП = 1.
односигнальной селективности принимают
Тогда
Se 
U П ВХ
U С ВХ

U П ВЫХ K П
U C ВЫХ K C

KC 1 .
K П b ДОП
(2.10)
Таким образом, односигнальная селективность при bДОП =1 показывает, во сколько раз коэффициент усиления приемника для
сигнала больше коэффициента усиления для помехи при раздельной подаче сигнала и помехи.
На рис. 2.11 приведена АЧХ приемника, настроенного на частоту сигнала fc , и построенная на основании АЧХ по (2.10) зависимость селективности от частоты помехи. Из рисунка видно,
46
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
что по мере увеличения расстройки помехи относительно частоты сигнала односигнальная селективность увеличивается.
Рис. 2.11. АЧХ додетекторного тракта приемника, настроенного
на частоту сигнала, и зависимость селективности
от частоты помехи.
Двухсигнальная селективность.
Для более точной оценки влияния помех определяется многосигнальная селективность, учитывающая нелинейные эффекты
при одновременном действии сигнала и помех.
Рассмотрим двухсигнальную селективность, учитывающую явление перекрестной модуляции. Перекрестной модуляцией называется перенос спектра сигнала с несущей помехи на несущую сигнала и наоборот. На рис. 2.12 показаны спектры сигнала и помехи при отсутствии и при наличии перекрестной модуляции.
Рис. 2.12. Спектры сигнала и помехи при отсутствии и
при наличии перекрестной модуляции
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
47
Из-за перекрестной модуляции в спектре сигнала появляется
пара дополнительных спектральных составляющих.
Они отстоят от несущей сигнала fC на частоту модуляции помехи FП. В спектре помехи – появляется пара дополнительных
спектральных составляющих, отстоящих от несущей помехи fП
на частоту модуляции сигнала FC.
Перекрестная модуляция возникает в УРЧ, т.к. на входе этого
каскада уровень помехи может оказаться достаточно большим,
поскольку помеха ослабляется только входной цепью приемника. Если следующие за УРЧ каскады приемника полностью отфильтруют помеху на частоте fП, то колебание с частотой модуляции FП все равно окажется на выходе детектора приемника
вместе с полезным сигналом с частотой FC.
Способ измерения двухсигнальной селективности иллюстрирует
рис. 2.13.
Рис. 2.13. Схема измерения двухсигнальной селективности
На вход приемника одновременно поступают модулированный
сигнал с частотой несущей fC, с частотой модуляции FC и амплитудой, равной чувствительности приемника Uc вх = EA0, и
помеха с частотой несущей fП и частотой модуляции FП. Измеряется напряжение на выходе фильтра, настроенного на частоту
модуляции сигнала, UC ВЫХ. Напряжение помехи на входе увеличивают до тех пор, пока напряжение помехи на выходе не станет равным UП вых = Uc вых /bдоп.
2.4. Стабильность характеристик приемника
Стабильностью называется способность приемника обеспечивать в течение определенного достаточно длительного времени
48
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
прием нужного сигнала без ручных регулировок и без недопустимого ухудшения селективности и чувствительности.
Различают частотную стабильность и стабильность коэффициента усиления.
Частотная стабильность.
Пусть в супергетеродинном приемнике fпр=fГ-fc,
где
f г  f г0  f г ,
f c  f c0  f c .
Тогда
f пр  f г0  f г  f c0  f c  f пр0  f пр
где f пр0  f г0  f c 0 ,
f пр  f г  f c .
Таким образом, преобразованная частота сигнала fпр отличается
от номинального значения промежуточной частоты fпр0, на которую настроен тракт промежуточной частоты приемника. Из рис.
2.14 видно, что при этом нижняя и верхняя боковые спектра
сигнала усиливаются по-разному.
Рис. 2.14. АЧХ тракта промежуточной частоты и спектры
сигнала при отсутствии и наличии частотной нестабильности
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
49
Следовательно, возникают искажения сигнала. Если сигнал
выйдет за пределы полосы пропускания тракта промежуточной
частоты, то резко упадут чувствительность и селективность
приемника.
Для повышения частотной стабильности используют синтезаторы частоты для формирования гетеродинных колебаний. Относительная суточная нестабильность частоты современных синтезаторов составляет10-8.
Стабильность коэффициента усиления требуется только в измерительных приемниках
Способы стабилизации коэффициента усиления:
1. Стабилизация питающих напряжений,
2. Применение ООС,
3. Калибровка коэффициента усиления по эталонному сигналу.
2.5. Искажения сигнала в приемнике.
Динамический диапазон
Под искажениями сигнала в приемнике понимается степень
изменения закона модуляции сигнала при прохождении через
приемный тракт.
Линейные искажения обусловлены инерционностью элементов
приемного тракта и не сопровождаются появлением в спектре
сигнала новых составляющих; они не зависят от входного сигнала и глубины модуляции.
Линейные искажения могут быть амплитудными и фазовыми.
Амплитудные искажения проявляются в изменении амплитуд
спектральных составляющих. Они определяется амплитудночастотной характеристикой (АЧХ) (рис.2.15): зависимостью
Uс вых на выходе приемника от частоты модуляции Fм входного сигнала при гармоническом законе модуляции, неизменных
частоты настройки, амплитуде и глубины модуляции входного
сигнала
50
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис.2.15. Зависимость Uсвых на выходе приемника от
частоты модуляции Fм входного сигнала
Обычно Uс выхм нормируют к выходному напряжению Uс
выхм и при Fм = 400 или 1000 Гц:
Хдб = 20lg (Uвых/Uвых 1000Гц )
Спад АЧХ на Fсмин обусловлен увеличением (относительно
средней частоты диапазона усиливаемых частот) сопротивления
межкаскадных конденсаторов или трансформаторов.
Спад АЧХ на Fсмах обусловлен уменьшением (относительно
средней частоты диапазона усиливаемых частот) сопротивления
Свх и Свых усилительных приборов и емкости монтажа.
В тракте ВЧ величина амплитудных искажений в основном зависит от ограничения полосы пропускания, которая в свою очередь определяется требуемой селективностью.
Фазовые искажения оцениваются фазочастотной характеристикой (ФЧХ) или характеристикой группового запаздывания.
ФЧХ – это фазовый угол между напряжением на выходе и огибающей модулирующего параметра входного сигнала от частоты модуляции и постоянстве всех других параметров сигнала.
При оценке по групповому времени запаздывания вычисляют
групповое время запаздывания:
τз = τ – Δφ ⁄ 2πFM.
(после измерения Δφ на частоте f сигнала)
Мерой фазовых искажений служит разность (нормируется)
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
51
Δхф = τз max - τз min
Нелинейные искажения сопровождаются появлением в спектре
выходного колебания новых составляющих: они зависят от
уровня входного сигнала и глубины его модуляции.
Нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник:
U 22  U 32  ...
KГ 
U1
-
или коэффициентом нелинейных искажений:
K НИ 
U

 U 32  ...
U12  U 22  U 32  ...

2
2

Между ними есть связь:
K НИ 
при
K
Г
 0 ,1
КГ
1  К Г2
;
К НИ  К Г
При слуховом приеме существенны только АЧХ и нелинейные
искажения: фазовые (небольшие) – не ощущаются.
При визуальном приеме особенно важны и АЧХ и ФЧХ. При
этом основной характеристикой является переходная характеристика (ПХ) (рис.2.16): исследуется скачок напряжения (единичный импульс).
Время запаздывания (задержки) τз анализируется при проведении специальных исследований для определения разности времени прихода сигнала по различным путям. Время нарастания
τн определяется полосой пропускания
τн=1 / Π0,707.
52
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис.2.16. Переходная характеристика прохождения
сигнала через приемный тракт.
Увеличение τн в ТЛВ приводит к “размазыванию” картинки.
При интенсивность затухания колебаний ∆1 ≥ 5% нарушается
восприятие телевизионной картинки. При ∆2 ≥ 2% двоится изображение.
При увеличении интенсивности затуханий колебаний ∆1,2,3,
например, в радиолокации приводит к ложным целям на экране локатора.
На рис. 2.17 показан синусоидальный закон изменения отклонения частоты входного сигнала от ее среднего значения и закон
изменения выходного напряжения приемника частотной модуляции.
Рис. 2.17. Нелинейные искажения ЧМ сигнала
в радиоприемнике
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
53
Форма сигнала на выходе приемника отличается от закона изменения отклонения частоты, следовательно, имеют место нелинейные искажения.
С точки зрения искажений приемник оценивается следующими
характеристиками:
1. АЧХ называется зависимость амплитуды выходного напряжения приемника от частоты модуляции входного сигнала
при гармоническом законе модуляции и постоянстве всех остальных параметров приемника.
2. ФЧХ называется зависимость фазового угла между напряжением на выходе и огибающей модулируемого параметра
входного сигнала от частоты модуляции при гармоническом законе модуляции и постоянстве всех остальных параметров сигнала.
3. Амплитудной характеристикой называется зависимость
амплитуды первой гармоники выходного напряжения от амплитуды изменения модулируемого параметра входного сигнала
при гармоническом законе модуляции и постоянстве всех остальных параметров сигнала.
4. Динамическим диапазоном радиоприемника называется
отношение максимального входного сигнала в антенне, прием
которого происходит с допустимыми искажениями, к чувствительности приемника.
D
E Amax .
E A0
(2.11)
Способы расширения динамического диапазона приемника:
 Повышение чувствительности (снижение EA0),
 Повышение линейности приемного тракта для увеличения EA max,
 Применение автоматической регулировки усиления, которая обеспечивает уменьшение усиления при увеличении
входного сигнала, что предотвращает перегрузки выходных каскадов, а значит, увеличивает EA max.
54
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
2.6. Выводы по теме
1. Чувствительность – способность приемника принимать
слабые сигналы.
2. Количественной мерой чувствительности является минимальный уровень сигнала в антенне, при котором переданная
информация воспроизводится с заданной мерой качества.
3. Критерий качества определяется видом принимаемого сигнала. При телефонии это отношение сигнал/шум на выходе приемника. При приеме цифровых двоичных сигналов – вероятность ошибки.
4. Факторы, ограничивающие чувствительность:
- усиление приемника;
- помехи радиоприему.
5. Коэффициентом шума приемника называется отношение
полной мощности шума на выходе додетекторного тракта приемника к части этой мощности, которую создает включенный на
вход эквивалент антенны.
6. Основной вклад в коэффициент шума вносят его первые
каскады. Влияние последующих каскадов тем меньше, чем
больше коэффициент усиления предшествующих каскадов.
7. Количественная мера чувствительности по мощности прямо пропорциональна коэффициенту шума.
8. Способы повышения чувствительности приемника:
- снижение коэффициента шума за счет применения малошумящих входных каскадов с высоким коэффициентом усиления по мощности.
- сужение полосы пропускания приемников.
- применение помехоустойчивых демодуляторов, которые работают при малых отношениях сигнал/шум.
9. Селективностью называется способность радиоприемника
выделять полезный сигнал из спектра электромагнитных колебаний в месте приема. Различают односигнальную и многосигнальную селективности.
10. Односигнальная селективность показывает, во сколько раз
коэффициент усиления приемника для сигнала больше коэффиВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
55
циента усиления для помехи при раздельной подаче сигнала и
помехи.
11. Для более точной оценки влияния помех определяется
многосигнальная селективность, учитывающая нелинейные эффекты при одновременном действии сигнала и помех.
12. Стабильностью называется способность приемника обеспечивать в течение определенного достаточно длительного времени прием нужного сигнала без ручных регулировок и без недопустимого ухудшения селективности и чувствительности.
13. Различают частотную стабильность и стабильность коэффициента усиления.
14. Для повышения частотной стабильности используют синтезаторы частоты.
15. Способы стабилизации коэффициента усиления:
- стабилизация питающих напряжений,
- применение ООС,
- калибровка коэффициента усиления по эталонному сигналу.
16. Под искажениями сигнала в приемнике понимается степень изменения закона модуляции сигнала при прохождении
через приемный тракт.
17. Линейные искажения обусловлены инерционностью элементов приемного тракта и не сопровождаются появлением в
спектре сигнала новых составляющих; они не зависят от входного сигнала и глубины модуляции. Линейные искажения могут
быть амплитудными и фазовыми.
18. Нелинейные искажения сопровождаются появлением в
спектре выходного колебания новых составляющих: они зависят от уровня входного сигнала и глубины его модуляции.
Нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник.
19. Динамическим диапазоном радиоприемника называется
отношение максимального входного сигнала в антенне, прием
которого происходит с допустимыми искажениями, к чувствительности приемника.
20. Способы расширения динамического диапазона приемника:
- повышение чувствительности;
56
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
- повышение линейности приемного тракта;
- применение автоматической регулировки усиления.
2.7. Контрольные вопросы по теме
«Показатели качества устройств приема и обработки
сигналов»
1. Что такое чувствительность приемника и что является количественной мерой чувствительности?
2. Какие факторы ограничивают чувствительность?
3. Приведите зависимость чувствительности приемника от
коэффициента усиления его додетекторного тракта;
4. Приведите основные источники внутренних (собственных)
шумов приемника;
5. Приведите основные источники внешних шумов приемника;
6. Приведите два определения коэффициента шума приемника;
7. Приведите две трактовки определения эквивалента антенны;
8. Как определяется шумовая мощность, поступающая на
вход приемника?
9. Как определяется коэффициент шума приемника через
параметры всех его каскадов?
10. Что такое шумовая температура приемника?
11. Как определяется связь коэффициента шума и чувствительности?
12. Что такое селективность и приведите виды селективностей;
13. Что такое частотная селективность?
14. Что является количественной мерой частотной селективности?
15. Как определяются односигнальная и многосигнальная селективности?
16. Что такое частотная стабильность и стабильность коэффициента усиления?
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
57
17. Приведите способы обеспечения частотной стабильности
и стабильности коэффициента усиления?
18. Что такое линейные искажения в приемнике?
19. Что такое нелинейные искажения в приемнике?
20. Приведите переходную характеристику прохождения
сигнала через приемный тракт.
21. Какими характеристиками оценивается приемник с точки
зрения искажений?
22.Что такое динамический диапазон радиоприемника? Приведите способы его расширения.
58
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Лекция 4
Тема 3. Входные цепи радиоприемника
3.1. Назначение, структура и классификация
входных цепей
Входная цепь предназначена для селективной передачи сигнала из антенны на вход первого каскада приемника с наименьшими потерями и искажениями.
Входные цепи должны обеспечивать:
1.Селективность при действии сильных помех, вызывающих
перекрестную модуляцию и другие нелинейные явления;
2.Селективность по побочным каналам приема;
3.Полосу пропускания, достаточную для неискаженного
приема сигнала;
4.Минимально возможную величину собственных шумов;
5.Максимально возможный коэффициент передачи;
6.Слабое влияние изменения параметров антенны на стабильность показателей качества приемника;
7.Простоту осуществления перестройки в заданном диапазоне
частот в сочетании с надежностью конструкции, малыми габаритами и весом;
8.Необходимое постоянство характеристик в диапазоне частот.
В соответствии с указанными требованиями структурная схема
входной цепи имеет вид (рис.3.1.)
Рис. 3.1 – Структурная схема входной цепи
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
59
Входная цепь состоит из резонансной системы (одиночного колебательного контура или полосового фильтра) и элемента связи с антенной. Резонансная система обеспечивает селективность
при заданной полосе пропускания.
Влияние антенны на резонансную систему сводится к внесению
в первый контур резонансной системы через элемент связи ЭДС

Е и комплексного сопротивления ZВН.
Элемент связи с антенной имеет разное назначение в зависимости от типа антенны. При работе с настроенной антенной он
обеспечивает согласование по мощности между антенной и резонансной системой входной цепи. При работе с ненастроенной
антенной элемент связи ослабляет влияние изменения параметров антенны на стабильность параметров резонансной системы.
Под коэффициентом передачи входной цепи понимается отно к ЭДС в антенне E
шение выходного напряжения U
A

 вц  U .
K
E
A
Последнее соотношение можно представить в виде

 
  U  E U K
 K
 ,
K
вц
A ф

E
E A E
A
(3.1)

 A  E - коэффициент антенной связи,
где K
E A

  U - коэффициент передачи фильтра (резонансной систеK
ф
E
мы).
Классификация входных цепей:
- по типу резонансной системы
1. Одноконтурная,
2. Многоконтурная (как правило, двухконтурная).
60
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
- по типу настройки
1. С постоянной (фиксированной) настройкой,
2. С переменной настройкой.
- по способу перестройки в пределах диапазона
1. С плавной перестройкой,
2. С дискретной перестройкой
- по способу управления настройкой
1. С механической настройкой,
2. С электронной настройкой.
- по типу связи с антенной
1. Связанная с настроенной антенной,
2. Связанная с ненастроенной антенной.
1.
2.
3.
1
2
- по виду элемента связи с антенной
С емкостной связью через разделительный конденсатор,
С трансформаторной связью,
С комбинированной связью.
- по виду связи со входом следующего каскада,
С полным включением колебательного контура,
С частичным включением колебательного контура при
трансформаторной, автотрансформаторной, емкостной и
комбинированной связи.
3.2. Варианты схем входных цепей
3.2.1.Одноконтурная входная цепь с внешнеемкостной
связью с антенной
Схема входной цепи приведена на рис.3.2. Элементы схемы:
настроечный конденсатор Сн, подстроечный конденсатор Сп,
катушка индуктивности L, конденсатор связи с антенной Сс.
Подстроечный конденсатор и элемент подстройки катушки инВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
61
дуктивности (сердечник) обеспечивают требуемые значения
граничных частот диапазона (поддиапазона) приемника.
Рис. 3.2 - Одноконтурная входная цепь с внешнеемкостной
связью с антенной
Конденсатор Сс используется для связи с ненастроенной антенной.
Чем меньше емкость этого конденсатора, тем меньше влияние
изменения параметров антенны на стабильность настройки контура входной цепи.
3.2.2. Входная цепь с двухконтурным полосовым
фильтром и трансформаторной связью с антенной
Схема входной цепи приведена на рис.3.3. Элементы схемы:
настроечные конденсаторы Сн, подстрочные конденсаторы Сп,
катушки индуктивности L, конденсатор внутриемкостной связи
между контурами Сс, индуктивность связи между контурами Lc2,
индуктивность связи с антенной Lc1, индуктивность связи с следующим каскадом Lc3. Комбинированная связь между контурами обеспечивает постоянство полосы пропускания входной цепи при ее перестройке в пределах диапазона. Это объясняется
тем, что полоса пропускания двухконтурного полосового
фильтра зависит от частоты
настройки и коэффициента связи между контурами: чем выше
частота и чем сильнее связь, тем шире полоса пропускания. Коэффициент связи между контурами при комбинированной связи
равен
62
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
k  k L  kC ,
где kL – коэффициент индуктивной связи, k c 
Cэ
- коэффиCc
циент внутриемкостной связи, Сэ – эквивалентная емкость контура. Так как при увеличении частоты настройки Хсэ уменьшается, то возможно поддержание постоянства полосы пропускания входной цепи при ее перестройке в пределах диапазона.
Рис. 3.3 – Двухконтурная входная цепь с комбинированной
связью между контурами и трансформаторной
связью с антенной
3.2.3. Входная цепь с дискретным конденсатором
Схема одноконтурной входной цепи с дискретным конденсатором в качестве элемента настройки и функциональная схема
дискретного конденсатора приведены на рис.3.4. Дискретный
конденсатор состоит из переключаемых конденсаторов постоянной емкости, причем емкость каждого следующего конденсатора в две раза больше емкости предыдущего. Поэтому количество градаций емкости дискретного конденсатора, а значит, коm
личество фиксированных частот настройки контура равно 2 ,
где m – количество дискретных конденсаторов.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
63
Рис. 3.4 –Входная цепь с дискретным конденсатором
На вход блока управления электронными ключами поступает m
– разрядная двоичная кодовая комбинация от микропроцессорной системы управления радиоприемником.
Достоинство входной цепи с дискретным конденсатором- отсутствие механических элементов перестройки, недостаток – ограниченное количество частот фиксированной настройки.
3.2.4. Входная цепь с варикапной настройкой
Схема входной цепи приведена на рис.3.5.
Рис. 3.5 – Входная цепь с варикапной настройкой
Элементом настройки является варикап, емкость которого зависит от приложенного к нему запирающего напряжения. Зависимость емкости варикапа от запирающего напряжения показана
на рис.3.6. Это напряжение поступает на варикап с потенциометра через фильтр Rф, Сф. Достоинство варикапной настройки
– простота и компактность элемента настройки, недостаток –
64
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
зависимость емкости варикапа от напряжения сильной помехи.
Эта зависимость иллюстрируется рис.3.6.
Рис.3.6 - Влияние сильной помехи на частоту настройки контура
при варикапной настройке
При отсутствии помехи емкость варикапа определяется напряжением постоянного смещения Е и равна С0. При этой емкости
контур настроен на резонансную частоту, равную частоте принимаемого сигнала fc. При появлении сильной синусоидальной
помехи с амплитудой Uп емкость варикапа изменяется во времени с частотой помехи, постоянная составляющая этой емкости
С1 > C0, резонансная характеристика контура смещается в область более низких частот, контур оказывается расстроенным
относительно частоты принимаемого сигнала. При изменении
амплитуды помехи коэффициент передачи входной цепи для
сигнала будет изменяться, что приводит к перекрестной модуляции. Ослабить влияние помехи можно, используя встречнопоследовательное включение варикапов, как это показано на
рис.3.7.
Из рис.3.7 видно, что при встречно-последовательном включении варикапов к каждому из них прикладывается только половина напряжения помехи в противофазе.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
65
Рис.3.7 - Входная цепь с встречно-последовательным
включением варикапов
Поэтому увеличению емкости одного варикапа соответствует
уменьшение емкости второго, что видно из рис.3.8. В результате
емкость последовательного соединения варикапов оказывается
примерно постоянной.
Рис.3.8 Изменение емкости встречно последовательно
включенных варикапов при действии помехи
3.3. Примеры схем входных цепей
а) трансформаторная связь
66
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Примечание: здесь и ниже применена схема частичного включения по входу из-за низкого Rвх биполярного транзистора.
б) емкостная связь
в) автотрансформаторная связь
г) комбинированная связь
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
67
д) двухконтурная входная цепь
Особенности схемы:
1) с антенной - трансформаторная связь;
2) между контурами - внутриемкостная связь через ССВ1 и
внешнемкостная - через ССВ2. Характеристика контура – почти
прямоугольная, что обеспечивает хорошую селективность.
Рис.3.9 Схемы входных цепей
3.4. Способы перекрытия диапазона частот (особенности)
Перекрывать диапазон рабочих частот f min  f max можно либо изменяя индуктивность Lк, либо емкость Ск контура.
Рассмотрим достоинства и недостатки обоих вариантов.
а) емкость Ск – постоянна, перекрытие диапазона осуществляется переменной индуктивностью Lк. Параметры контура:
1
- характеристическое сопротивление.

0С К
dK 
r
 r   0  C k - затухание контура.

r – потери (активные) в контуре.
68
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
С ростом частоты:
- активные потери в контуре r растут пропорционально росту
частоты. В связи с этим затухание контура увеличивается с ростом частоты  пропорционально квадрату изменения частоты;
- полоса пропускания контура на уровне 0,707
П0,7 =
 0.dk
увеличивается пропорционально кубу изменения частоты;
- проводимость контура
G0 =
dK
 0  C K  d K

также увеличивается пропорционально кубу изменения частоты.
Таким образом, параметры контура при настройке индуктивностью изменяются резко, что нежелательно.
б) индуктивность Lк – постоянна, перекрытие диапазона
осуществляется переменной емкостью Ск.
   0  LK ; d K 
r
r

;
  0  LK
С ростом частоты:
- активные потери в контуре r растут пропорционально росту
частоты. В связи с этим и затухание контура и его добротность
1
Q
dK
не зависят от изменения частоты;
- полоса пропускания контура на уровне 0,707
П0,7 = 0.dk,
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
69
и резонансное сопротивление контура
R0 
1
=  0  C K  LK
G0
увеличиваются пропорционально частоте.
Т.е., при перекрытии широкого диапазона частот переменной
емкостью Ск параметры контура изменяются менее резко, поэтому желательна емкостная настройка. Настройку контура переменной индуктивностью можно применять в узком диапазоне
изменения частоты..
3.5. Коэффициент передачи, селективность и
полоса пропускания одиночного колебательного
контура входной цепи
Определим общие соотношения, не зависящие от вида связи
контура, характеризующие одноконтурные входные цепи на
данной частоте.
На рис.3.10 приведена эквивалентная схема контура входной
цепи, частично подключенного к входу следующего каскада.
Рис.3.10. Эквивалентная схема контура входной цепи
с емкостной связью со следующим каскадом
Частичное включение обеспечивается применением емкостного
 - Э.Д.С., вносимая в
делителя напряжения С1, С2. На схеме E
контур из антенны,
rэ  rk  rвн А  rвн сл - эквивалентное со-
противление потерь колебательного контура, rk - сопротивление
70
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
потерь контура, rвн А - сопротивление, вносимое в контур из антенны, rвн сл - сопротивление, вносимое в контур следующим
каскадом, L- индуктивность контура, C  C1C 2 - емкость конC1  C 2
 - напряжение на конденсаторе, U
 - выходное напрятура, U
c
жение.
Под коэффициентом включения контура p понимается отношение выходного напряжения к напряжению на контуре (на реактивном элементе контура)
p
U
C
C1


U c C 2 C1  C2
(3.2)
Определим сопротивление контура при последовательном обходе
1 .
Z  rэ  j  L 
j C
Характеристическое сопротивление контура равно

где 0 
L
1 ,
 0 L 
C
0C
1
- резонансная частота контура.
LC
Эквивалентное затухание контура определяется соотношением
dэ 
rэ
.

С учетом последних соотношений сопротивление контура равно
Z   (d э  jy) ,
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
71
где y 
 0
- относительная расстройка.

0 
Для определения комплексного коэффициента передачи выра через E
зим U
 
U
E
1
p.
 (d э  jy) j C
Из последнего соотношения следует, что
коэффициент передачи контура:
на любой частоте
p
   j 0
K
ф
 d э  jy
(3.3)
Модуль комплексного коэффициента передачи контура равен
Kф 
0

p
d э 2  y2
.
(3.4)
Из последнего соотношения определим резонансный коэффициент передачи (при
  0 ):
K ф0 
p
 p Qэ ,
dэ
(3.5)
где Qэ - эквивалентная добротность контура.
Определим селективность контура.
Селективность контура показывает во сколько раз коэффициент передачи контура для сигнала больше его коэффициента
передачи для помехи
72
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Se 
Kc
.
Kп
Поскольку контур настраивается на частоту сигнала, то
K c  K ф0 . Коэффициент передачи для помехи равен
K п  Kф
,
при п
где  п - частота помехи.
Таким образом,
Kc 
p
dэ
KП 
с
П
p
.
2
d э  yП2
Селективность контура определяется следующим соотношением
2
y 
K

Se  c  П 1   П  .
K П с
 dэ 
(3.6)
Из последнего соотношения следует, что селективность тем
больше, чем меньше эквивалентное затухание контура и чем
больше относительная расстройка помехи относительно частоты
принимаемого сигнала.
Определим полосу пропускания контура. На рис. 3.11 показана
АЧХ контура, где
П -
полоса пропускания контура при не-
равномерности АЧХ в полосе пропускания, равной
 , Kф гр -
коэффициент передачи на границе полосы пропускания при абсолютной расстройке относительно резонансной частоты контура
 f гр .
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
73
Рис. 3.11 – АЧХ одиночного колебательного контура
Под неравномерностью АЧХ в полосе пропускания  понимается отношение максимального коэффициента передачи в полосе
пропускания к минимальному. В рассматриваемом случае

K ф0
.
K ф гр
(3.7)
На основании (3.4)
K фгр 
0
гр
При малых расстройках (Δωгр
p
d э 2  y гр2
« ωо)
.
отношение
0
 1, а
гр
относительная расстройка определяется следующим соотношением
У ГР 
f ГР
f
 f  f 0  f ГР  f 0   2f ГР  П .
 0  ГР
f0
f ГР
f 0 f ГР
f0
f0
Тогда
74
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
.
p
K ф гр 
  
dэ 1   
 f0 d э 
2
Подставив в (3.7) выражения для K ф0 и K фгр , получим
  
  1   
 f0 d э 
2
  f 0 dэ 2  1
(3.8)
Из последнего соотношения следует, что полоса пропускания
прямо пропорциональна резонансной частоте контура, его эквивалентному затуханию и увеличивается с увеличением допустимой неравномерности в полосе пропускания (с уменьшением
уровня отсчета полосы, который обратно пропорционален  ).
Наряду с рассмотренным вариантом, у входного контура, у которого выходное напряжение снимается с индуктивности, используют вариант, представленный на рис.3.12, где
p
U
w2
,

U L w1  w 2
w1 - количество витков катушки индуктивности, с которых
снимается выходное напряжение, w1  w 2 - количество витков
катушки.
Комплексный коэффициент передачи контура определяется соотношением
p
 j
K
.
ф
0 d э  jy
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
(3.9)
75
Рис.3.12 – Эквивалентная схема контура входной цепи с
автотрансформаторной связью со следующим каскадом
Селективность контура равна
y 
K

Se  c  с 1   П 
K П п
 dэ 
2
(3.10)
Полоса пропускания определяется по (3.8), как и для предыдущего варианта.
Лекция 5
3.6. Определение затухания и емкости, вносимых в
контур следующим каскадом
На рис.3.13 показана эквивалентная схема входной цепи с подключенной параллельно выходу входной проводимостью следующего каскада
g вх сл .
Рис. 3.13 Входная цепь с подключенной к ее выходу
входной проводимостью следующего каскада
76
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Требуется определить сопротивление, вносимое в контур входной проводимостью следующего каскада и соответствующее
ему вносимое затухание. Для решения этой задачи найдем сопротивление параллельно включенных конденсатора С2 и проводимости
g вх сл
Z
g  j 0C2
1
.
 вх сл2
gвх сл  j 0C2 gвх сл  (0C2 )2
Определим резистивную составляющую этого сопротивления
2
при 0C2   g вхсл
2
rвн сл
2
g вх сл
g
 С

 вх сл 2    p 2  2g вх сл .
2
(0C 2 )
(0C)  С2 
Затухание, вносимое в контур, равно
d вн сл  p2  gвх сл .
(3.11)
Затухание, вносимое в контур, прямо пропорционально входной
проводимости следующего каскада, характеристическому сопротивлению и квадрату коэффициента включения. Из последнего соотношения следует, что эффективным способом уменьшения вносимого затухания, а значит, повышения селективности контура является его частичное включение.
Определим емкость, вносимую в контур при подключении к его
выходу входной емкости следующего каскада. Для этого воспользуемся эквивалентной схемой рис.3.14
При подключении к контуру Свх сл емкость контура изменится
на следующую величину
Cвн сл 
C1 (C2  Cвх сл )
С1  C2  Cвх сл

C1 C2
 p2Cвх сл
С1  C2
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
(3.12)
77
Рис.3.14 Входная цепь с подключенной к ее выходу
входной емкостью следующего каскада
Последнее соотношение справедливо при выполнении условия
С1  С 2  С ВХСЛ .
Таким образом, емкость, вносимая в контур, прямо пропорциональна входной емкости следующего каскада и квадрату коэффициента включения контура.
Частичное включение является эффективным способом уменьшения влияния внешних реактивных элементов на стабильность
настройки колебательного контура.
3.7. Входная цепь при связи с настроенной
антенной
На рис.3.15 приведена принципиальная схема одноконтурной
входной цепи с трансформаторной связью с антенной.
Рис.3.15. Одноконтурная входная цепь
с трансформаторной связью с антенной
78
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Определим коэффициент передачи входной цепи при связи с
настроенной антенной. Согласно (3.1) коэффициент передачи
входной цепи равен произведению коэффициента антенной свя на коэффициент передачи колебательного контура K
 .
зи K
A
ф
Для определения коэффициента антенной связи обратимся к эквивалентной схеме рис. 3.16, где R A - сопротивление антенны,
M - взаимная индуктивность контурной катушки и катушки
 - ЭДС, вносимая в контур из антенны, равная напряжесвязи, E
нию холостого хода между точками 1 и 2.
Рис. 3.16 Эквивалентная схема для определения
коэффициента антенной связи
Выразим ЭДС, вносимую в контур, через ЭДС в антенне

E A j0 M .
E
RA  j0 LC

Найдем комплексный коэффициент антенной связи и его модуль
 
K
A0
j 0 M
R A  j 0 Lc
K A0 
0 M
(3.13)
R A 2  ( 0 Lc ) 2
Определим сопротивление, вносимое в контур из антенны
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
79
Z вн А 
( 0 M) 2
(0 M) 2

(R A  j 0 Lc ) .
R A  j 0 L c R A 2  ( 0 L c ) 2
Резистивная составляющая этого сопротивления равна
rвн А 
(0 M)2
R A  K A0 2 R A .
2
2
R A  (0 Lc )
Из последнего соотношения видно, что сопротивление, вносимое в контур из антенны, прямо пропорционально сопротивлению антенны и квадрату коэффициента антенной связи.
Затухание, вносимое в контур из антенны, равно
d внА
K A0 2 R A




rвн А
(3.14)
Определим коэффициент передачи входной цепи
K вц0  K A 0
p
 K A0
dэ
p
K A0 2 R A
dk 
 d вн сл

Из последнего соотношения следует, что при увеличении коэффициента антенной связи коэффициент передачи входной цепи
сначала увеличивается, а затем начинает уменьшаться из-за увеличения затухания, вносимого в контур из антенны.
Оптимальный коэффициент антенной связи, при котором коэффициент передачи входной цепи максимален, равен
K A0opt 
80
dэ 
2 RA
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
(3.15)
При оптимальном коэффициенте передачи имеет место режим
согласования на входе приемника: затухание, вносимое в контур
из антенны, равно половине его эквивалентного затухания.
Максимальный коэффициент передачи входной цепи определяется следующим соотношением
K вц max  p
Rэ

, где R э 
2R A
dэ
(3.16)
Для определения оптимального коэффициента связи
2
равняем KA0opt из (2.15) и
k opt при-
KA02 из (3.13) при M = Mopt и уч-
тем, что M opt  k opt L Lсв
(0 M opt ) 2
k opt 2 0 L 0 Lc
dэ 


2 R A R A 2  (0 Lc ) 2 R A 2  (0 Lc )2
или
dэ
R A 0 Lc
 k opt 2
.
2
R A 2  (0 Lc )2
Минимальное значение оптимального коэффициента связи получается при максимуме дроби
R A 0 L c
,
R A 2  ( 0 L c ) 2
который имеет место, если R A  0 Lc . При выполнении последнего условия минимальное значение оптимального коэффициента связи равно
k opt min  d э .
(3.17)
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
81
Из условия максимума дроби находим индуктивность связи, при
которой обеспечивается режим согласования на входе приемника
Lc 
RA
.
0
3.8. Входная цепь при связи с ненастроенной антенной.
3.8.1. Емкостная связь с антенной .
На резонансной частоте (в диапазоне fmin ÷ fmax ) коэффициент передачи входной цепи равен
KВЦо = КА(fo)·Kфо·р(fo),
где
- КА(fo) – коэффициент связи с антенной,
- Kфо – коэффициент передачи фильтра (контура),
- р(fo) – коэффициент включения.
Для большинства входных цепей Kфо и р(fo) мало зависят от
частоты. В основном изменяется КА.
Для емкостной связи
2
КА = Ссв·Lk· 0 .
При этом
К А max  02max

 K Д2
K A min  02min
(коэффициент перекрытия диапазона)
Т.о., коэффициент связи с антенной КА, и, следовательно, весь
коэффициент передачи входной цепи Квц при емкостной связи
с антенной изменяется как квадрат от коэффициента перекрытия
диапазона. Соответственно, изменяется и общее усиление.
82
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Из-за этого емкостная связь с антенной применяется редко, либо применяется в недорогих РПУ.
3.8.2. Индуктивная связь с антенной
Эквивалентная схема входной цепи (рис.3.17):
Рис.3.17. Эквивалентная схема ВЦ при индуктивной связи
с антенной
Для антенной цепи резонансная частота
0 A 
1
;
C A  ( LA  LСВ )
Модуль коэффициента передачи для этого вида связи
KA 
0 M

Z0
,
0 M
Z0
,

где Z 0  RA  rСВ   j  ( X A  LСВ ). - комплексное сопротивление антенного контура
Ниже на рис.3.18 приведены зависимости коэффициента связи с
антенной KA и комплексной проводимости антенного контура
1 от частоты.
Z0
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
83
Для зоны Ι  f 0 min  f 0 max  f 0 A  - любая частота сигнала в рабочем диапазоне меньше собственной резонансной частоты антенны foA , т.е. собственная длина волны антенны λоА короче
длины волны любого рабочего колебания. Для этой зоны связь
называют связью с укороченной антенной.
Рис.3.18. Зависимости KA и
1
антенного контура от
Z0
частоты
При этом коэффициент связи с антенной КА, и соответственно,
коэффициент передачи входной цепи Квц резко возрастают при
приближении к foA; соответственно резко изменяется все усиление приемника при изменении от fo min до fo max.
Это объясняется тем, что при приближении к foA резко увеличивается ток в антенне IА (из-за резонанса), а так же увеличивается
вносимая э.д.с. в основной контур
Ėф=јωо·М·İА
В зоне ΙΙ КА сначала возрастает, а затем уменьшается - в этой
зоне стараются не работать.
В зоне ΙΙΙ КА постепенно уменьшается при удалении от собственной резонансной частоты антенны foA.
84
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Т.к. в зоне ΙΙΙ fmin > fA, т.е. длина волны собственного колебания антенны foA больше самой длинной волны рабочего диапазона РПУ, то этот вид связи в этой зоне называют связью с удлиненной антенной. Коэффициент связи с антенной КА в этой
зоне изменяется постепенно, и параметры РПУ также изменяются в приемлемом диапазоне.
Как правило, работают с удлиненной антенной.
Обычно выбирают коэффициент удлинения
Куд = fо min / foA = 1.5.
При заданных параметрах LA и CA требуемое значение foA обеспечивают за счет выбора
LСВ 
1
 LA .
 СА
2
0А
3.9. Выводы по теме
1. Входная цепь предназначена для селективной передачи
сигнала из антенны на вход первого каскада приемника с наименьшими потерями и искажениями.
2. Входные цепи должны обеспечивать:
-селективность при действии сильных помех:
- селективность по побочным каналам приема;
- полосу пропускания, достаточную для неискаженного
приема сигнала;
-минимально возможную величину собственных шумов;
- максимально возможный коэффициент передачи;
- слабое влияние изменения параметров антенны на стабильность показателей качества приемника;
- простоту осуществления перестройки в заданном диапазоне частот в сочетании с надежностью конструкции, малыми габаритами и весом;
- необходимое постоянство характеристик в диапазоне
частот.
3. Классификация входных цепей:
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
85
- по типу резонансной системы;
- по типу настройки;
- по способу перестройки в пределах диапазона;
- по способу управления настройкой;
- по типу связи с антенной;
- по виду элемента связи с антенной;
- по виду связи со входом следующего каскада.
4. Перекрывать диапазон рабочих частот f min  f max можно
либо изменяя индуктивность Lк, либо емкость Ск контура. Параметры контура при настройке индуктивностью изменяются
резко, что нежелательно. При перекрытии широкого диапазона
частот переменной емкостью Ск параметры контура изменяются менее резко, поэтому желательна емкостная настройка.
5. Селективность контура показывает во сколько раз коэффициент передачи контура для сигнала больше его коэффициента передачи для помехи. Селективность тем больше, чем
меньше эквивалентное затухание контура и чем больше относительная расстройка помехи относительно частоты принимаемого сигнала.
6. Полоса пропускания прямо пропорциональна резонансной
частоте контура, его эквивалентному затуханию и увеличивается с увеличением допустимой неравномерности в полосе пропускания.
7. Затухание, вносимое в контур, прямо пропорционально
входной проводимости следующего каскада, характеристическому сопротивлению и квадрату коэффициента включения.
Эффективным способом уменьшения вносимого затухания, а
значит, повышения селективности контура является его частичное включение.
8. Емкость, вносимая в контур, прямо пропорциональна входной емкости следующего каскада и квадрату коэффициента
включения контура. Частичное включение является эффективным способом уменьшения влияния внешних реактивных элементов на стабильность настройки колебательного контура.
9. Для настроенной антенны сопротивление, вносимое в контур из антенны, прямо пропорционально сопротивлению антен86
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
ны и квадрату коэффициента антенной связи. При увеличении
коэффициента антенной связи коэффициент передачи входной
цепи сначала увеличивается, а затем начинает уменьшаться изза увеличения затухания, вносимого в контур из антенны.
10. При оптимальном коэффициенте передачи имеет место
режим согласования на входе приемника: затухание, вносимое в
контур из антенны, равно половине его эквивалентного затухания.
11. Коэффициент связи с ненастроенной антенной КА, и, следовательно, весь коэффициент передачи входной цепи Квц при
емкостной связи с антенной изменяется как квадрат от коэффициента перекрытия диапазона. Соответственно, изменяется и
общее усиление. Из-за этого емкостная связь с ненастроенной
антенной применяется редко, либо применяется в недорогих
РПУ.
12. Если собственная длина волны антенны λоА короче длины волны любого рабочего колебания, то для этой зоны связь
называют связью с укороченной антенной. Для этой зоны коэффициент связи с антенной КА, и соответственно, коэффициент
передачи входной цепи Квц резко возрастают при приближении
к foA; соответственно резко изменяется все усиление приемника в диапазоне от fo min до fo max.
13. Если длина волны собственного колебания антенны foA
больше самой длинной волны рабочего диапазона РПУ, то этот
вид связи в этой зоне называют связью с удлиненной антенной.
Коэффициент связи с антенной КА в этой зоне изменяется постепенно, и параметры РПУ также изменяются в приемлемом
диапазоне. Как правило, работают с удлиненной антенной.
3.10. Контрольные вопросы по теме «Входные цепи»
1. Каково назначение входных цепей радиоприёмника?
2. Какие требования предъявляются к входным цепям радиоприёмников?
3. Приведите структурную схему входной цепи. Из каких
составных частей состоит входная цепь и что они обеспечивают?
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
87
4. Что такое коэффициент передачи входной цепи? Приведите его параметры.
5. Приведите классификацию входных цепей.
6. Приведите схему одноконтурной входной цепи с внешнеемкостной связью и назначение ее элементов,
7. Приведите схему двухконтурной входной цепи с комбинированной связью между контурами и трансформаторной связью с антенной и назначение ее элементов.
8. Приведите схему входной цепи с дискретным конденсатором и назначение ее элементов.
9. Приведите схему входной цепи с варикапной настройкой и принцип ее работы.
10. Приведите способы перекрытия диапазона частот, их
достоинства и недостатки.
11. Приведите соотношения для коэффициента передачи,
полосы пропускания и селективности для одиночного контура
входной цепи. Что такое неравномерность АЧХ для одиночного
контура входной цепи.
12. Чему равны затухание и емкость, вносимые в одиночный
контур входной цепи следующим каскадом?
13. Приведите соотношения для оптимального коэффициента связи с антенной, оптимального и максимального коэффициента передачи для входной цепи с трансформаторной связью с
настроенной антенной.
14. Приведите соотношения для коэффициента связи с антенной и коэффициента передачи для входной цепи с емкостной связью с ненастроенной антенной.
15. Как изменяется коэффициент антенной связи Ка при
внешнеёмкостной связи с ненастроенной антенной с изменением частоты входного сигнала?
16. Как изменяется коэффициент антенной связи Ка при
трансформаторной связи (режим удлинения) с ненастроенной
антенной с изменением частоты входного сигнала?
17. Как изменяется коэффициент антенной связи Ка при
трансформаторной связи (режим укорочения) с антенной с изменением частоты входного сигнала?
88
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Лекция 6
Тема 4. Резонансные усилители радиочастоты
4.1. Назначение, классификация и требования
к резонансным усилителям
Резонансные усилители предназначены для обеспечения необходимого усиления и частотной селективности радиоприемника.
Классификация резонансных усилителей:
- по принципу и особенностям процесса усиления
1.Усилители на невзаимных усилительных элементах с
прохождением сигнала в одном направлении,
2. Регенеративные,
3. Сверхрегенеративные,
4. Параметрические,
5.Квантовые
- по виду усилительных элементов
1.Транзисторные,
2.Диодные,
3.Интегральные
- по виду селективных цепей
1.С одиночным колебательным контуром,
2.С полосовым фильтром
- по способу настройки
1.С переменной настройкой в диапазоне частот,
2.С фиксированной настройкой
- по применению в радиоприемнике
1.Усилители радиочастоты,
2.Усилители промежуточной частоты.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
89
Сформулируем требования к усилителям радиочастоты и усилителям промежуточной частоты.
Требования к УРЧ:
1.Усиление, достаточное для получения заданного отношения сигнал-шум на входе преобразователя частоты,
2.Низкий коэффициент шума,
3.Высокая линейность усиления,
4.Селективность по побочным каналам приема,
5.Простота и конструктивная надежность перестройки в
диапазоне частот.
Требования к УПЧ:
1.Высокое устойчивое усиление,
2.Низкий коэффициент шума (в приемниках без УРЧ и диодными преобразователями частоты),
3.Высокая селективность по соседнему каналу приема, т.е.
при сравнительно малых расстройках относительно частоты
принимаемого сигнала.
4.2.Варианты схем резонансных усилителей
на невзаимных усилительных элементах
Невзаимным называется усилительный элемент, в котором
сигнал проходит преимущественно в одном направлении: со
входа на выход, и практически отсутствует его прохождение в
обратном направлении. Типичным невзаимным усилительным
элементом является транзистор.
На рис.4.1 приведена схема одноконтурного резонансного
усилителя на полевом транзисторе с изолированным затвором и
n-каналом.
Резистор Rи в цепи истока обеспечивает автоматическое смещение рабочей точки за счет протекания через него постоянной
составляющей тока истока. Это напряжение через резистор в
цепи затвора Rз поступает на затвор. Конденсатор Cи устраняет
отрицательную обратную связь по переменному току. Колебательный контур состоит из индуктивности, емкости настроечного конденсатора Сн и емкости подстроечного конденсатора Сп.
90
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис. 4.1. Транзисторный резонансный усилитель с одиночным
колебательным контуром
Контур частично включен в цепь стока транзистора (трансформаторное включение с коэффициентом включения p1) и частично подключен к входу следующего каскада (автотрансформаторное включение с коэффициентом включения p2). Постоянное
напряжение подается в цепь стока через фильтр Rф, Сф. Конденсатор Ср – разделительный. Данный каскад является типичным
усилителем радиочастоты.
На рис. 4.2 приведена принципиальная схема резонансного усилителя с двухконтурным полосовым фильтром, в котором в качестве усилительного элемента используется дифференциальный каскад на трех транзисторах.
Рис. 4.2 Усилитель с двухконтурным полосовым фильтром на
трехтранзисторном дифференциальном каскаде
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
91
Входной сигнал через разделительный конденсатор Ср поступает в цепь затвора транзистора Т3 и управляет током стока этого
транзистора, который перераспределяется между транзисторами
Т1 и Т2. В цепь стока транзистора Т2 включен двухконтурный
полосовой фильтр с внешнеемкостной связью между контурами
за счет конденсатора Сс. Первый контур фильтра частично
включен в цепь стока Т2 (коэффициент включения p1). Второй
контур частично подключен к входу следующего каскада (коэффициент включения p2). В усилителе осуществляется автоматическая регулировка усиления за счет перераспределения тока
транзистора Т3 между транзисторами Т1 и Т2. Это перераспределение осуществляется путем подачи в цепь затвора Т1 постоянного положительного регулирующего напряжения up через
фильтр автоматической регулировки усиления Rф АРУ, Сф АРУ.
При увеличении регулирующего напряжения уменьшается ток
транзистора Т2, что приводит к уменьшению коэффициента
усиления каскада. Величина напряжения смещения Е выбирается так, чтобы при отсутствии регулирующего напряжения
транзистор Т1 был закрыт, а коэффициент усиления каскада был
бы максимальным. При полностью закрытом Т1 усилитель является двухкаскадным усилителем, выполненным по схеме
«общий затвор-общий исток». Такие усилители называются каскодными. Достоинство каскодных усилителей – высокое устойчивое усиление. Элементы цепей питания: Rи – резистор стабилизации рабочей точки; R3 –резисторы для подачи напряжения
смещения; конденсатор Си устраняет отрицательную обратную
связь по переменному току; конденсатор С соединяет затвор Т2
с корпусом по переменному току; через фильтр Сф, Rф подается
питающее напряжение в цепи стоков транзисторов. Данный
усилитель с фиксированной настройкой может использоваться в
качестве усилителя промежуточной частоты радиоприемника.
Усиление радиосигналов в приемнике осуществляется на радиочастоте, и после преобразователей – на промежуточной частоте.
Входные каскады – усилители радиочастоты (УРЧ) - должны
иметь малый коэффициент шума, большое Rвх, высокую линейность усиления (линейную амплитудную характеристику),
поэтому их выполняют часто на полевых транзисторах. В УРЧ
92
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
на СВЧ применяют полевые и биполярные транзисторы, туннельные диоды; применяются квантовые, параметрические усилители.
И в усилителях (УРЧ) и УПЧ вместе с усилением необходимо
обеспечивать высокую селективность. Для этого применяют резонансные цепи: колебательные контуры, фильтры из связанных
контуров. Усилители, где АЧХ близка к прямоугольной форме
благодаря фильтрам, называют полосовыми.
В УРЧ и УПЧ применяют, как правило, два варианта схем построения: схемы с ОЭ и ОБ на биполярных транзисторах, схемы с ОИ и ОЗ на полевых транзисторах.
Усилители с ОЭ позволяют получать наибольшее усиление по
мощности (метровый диапазон и более длинные волны). Усилители с ОБ – отличаются высокой устойчивостью против самовозбуждения. Они применяются в дециметровых и сантиметровых диапазонах волн. Анализ их идентичен.
УРЧ в приемнике, как правило, перестраиваемые, применяются
в диапазоне частот; УПЧ работают на одной фиксированной
частоте. Коэффициент передачи Купч = 104÷106.
4.3. Эквивалентная схема невзаимного
усилительного элемента
В режиме детектирования слабых сигналов невзаимный
усилительный элемент является линейным четырехполюсником
(рис.4.3), который описывается системой линейных уравнений с
использованием Y-параметров
I  Y U


1
11 1  Y12 U 2
,
 Y U

I  Y U
2
21
1
22
(4.1)
2

  0 - входная проводимость,
где Y11  I1 при U
2

U
1
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
93
Y12 
I
1
  0 - проводимость обратной передачи
при U
1

U
2
(обратной связи),
I
  0 - проводимость прямой передачи
Y21  2 при U
2

U
1
(крутизна),
Y22 
I
2
  0 - выходная проводимость.
при U
1

U2
Отметим:
1.В идеальном невзаимном усилительном элементе проводимость обратной связи равна нулю Y12  0 ;
2.Если усилительный элемент используется на частоте,
значительно меньшей предельной частоты по крутизне, то проводимость прямой передачи равна статической крутизне усилительного элемента Y21  S .
Рис. 4.3 Усилительный элемент как линейный
четырехполюсник
На основании второго уравнения системы 4.1 получим эквивалентную схему усилительного элемента со стороны выхода,
представленную на рис. 4.4.
 , параллельно которому
Схема включает генератор тока Y21U
1
включена выходная проводимость Y22 . Для получения полной
эквивалентной схемы определим входную проводимость усилителя при конечной проводимости нагрузки Yн .
94
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис. 4.4 Эквивалентная схема усилительного элемента
со стороны выхода
Из схемы рис. 4.3 следует, что



2    Н U 2 .
Подставив последнее соотношение во второе уравнение систе через U

мы (4.1), выразим U
2
1

 21

U2  

U1.

 22  Н
Подставив последнее соотношение в первое уравнение системы,
 , определим входную проводимость усилии разделив I1 на U
1
теля (рис.4.5):



 ВХ   11 

 21  12


.
(4.2)
 22   Н
Из полученного соотношения следует, что при наличии внутренней обратной связи через усилительный элемент ( Y12  0 )
входная проводимость усилителя Yвх отличается от проводимости усилительного элемента в режиме короткого замыкания
на выходе Y11 и зависит от проводимости нагрузки
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
95
Рис. 4.5. Эквивалентная схема усилительного элемента
4.4. Анализ одноконтурного резонансного
усилителя с автотрансформаторным включением
колебательного контура
Принципиальная схема одноконтурного резонансного усилителя на полевом транзисторе приведена на рис.4.6.
Рис.4.6 Одноконтурный резонансный усилитель
с автотрансформаторным включением контура
Колебательный контур образован индуктивностью Lk и емкостью Ck , которая определяется емкостями всех конденсаторов,
входящих в контур, в основном, емкостями настроечного и подстроечного конденсаторов. Контур частично включен в цепь
стока транзистора (коэффициент включения p1) и во входную
цепь следующего каскада (коэффициент включения p2).
96
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Резистор Rз затвора и резистор RИ стабилизации рабочей точки,
резистор Rф фильтра в цепи стока определяют режим работы
транзистора по постоянному току.
Задачей анализа является определение коэффициента усиления,
селективности и полосы пропускания усилителя. Для ее решения перейдем от принципиальной схемы к эквивалентной, заменив транзистор с цепями питания эквивалентной схемой усилительного элемента со стороны выхода. Учтем при этом, что выходная проводимость усилительного элемента и входная проводимость следующего каскада носят емкостный характер. Поэтому на эквивалентной схеме проводимость Y22 заменим резистивной проводимостью g22 и выходной емкостью С22, включенными параллельно, а входную проводимость следующего
каскада Yвх сл представим резистивной проводимостью
gвх сл и входной емкостью Свх сл , также включенными параллельно. Параллельный колебательный контур представляется на
эквивалентной схеме параллельно включенными индуктивностью Lk, емкостью C k и проводимостью контура при резонансе
gk. В результате получим эквивалентную схему, приведенную
на рис. 4.7.
g 22
C 22
Lк
g к С к’
С вх сл
g вх сл
p1
U вых
p2
Y 21 U1=Y 21 U вх
Рис. 4.7 Эквивалентная схема усилителя
Упростим эквивалентную схему рис. 4.7, объединив
проводимости
g 22 , g k , g вх сл
в одну эквивалентную проводи-
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
97
мость g э и объединив емкости С22, Ck , Свх сл в одну эквивалентную емкость Ск
g э  g k  p12g 22  p2 2 gвх сл ,
Ck  Ck  p12C22  p2 2Cвх сл
(4.3)
В результате получим эквивалентную схему рис.4.8, которую
используем для анализа.
Lк
gэ
Ск
p1
Y 21 U вх
U вых
p2
Рис.4.8 Преобразованная эквивалентная схема
усилителя
Сначала определим комплексное сопротивление колебательного
контура
ZЭ 
1
1
gЭ 

jLK
1
1
jCK


 ,


0 d Э  jу
gЭ   j
j
0

где d э  (g k  p12 g 22  p2 2 g вх сл )  d k  p12g 22  p 2 2g вх сл - эквивалентное затухание колебательного контура, которое складывается из собственного затухания контура dk, затухания, вносимого в контур со стороны выхода усилительного элемента
98
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
p12g 22 и затухания, вносимого со стороны входа следующего
2
каскада p2 gвх сл ;
y
 0 f f0

 
0  f 0 f
- относительная расстройка.
Выразим выходное напряжение усилителя
нератора тока
 через
U
вых
ток ге-

Y21U
вх
p2 

2

 .
U
U вх   Y21
p1p 2 U
вых   Y21p1 Z э
вх
p1
d э  jy
Определим комплексный коэффициент усиления усилителя
  Y
K
21

p1 p 2 .
d э  jy
(4.4)
Модуль комплексного коэффициента усиления равен
K  Y21

d э 2  y2
p1 p 2
(4.5)
При y = 0 найдем резонансный коэффициент усиления
K 0  Y21

p1p 2
dэ
(4.6)
Выразив эквивалентное затухание контура через собственное и вносимое затухания, получим:
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
99
K0  Y21

2
1
d k  p  g 22  p2 2 g вх сл
p1p2
Исследование последнего соотношения на экстремум позволяет
определить оптимальные коэффициенты включения колебательного контура при заданном значении эквивалентного затухания, при которых коэффициент усиления усилителя максимален.
Оптимальные коэффициенты включения получаются тогда, когда затухание, вносимое в контур со стороны усилительного
элемента равно затуханию, вносимому со стороны входа следующего каскада
p1opt 2 g 22  p 2opt 2 g вх сл 
d э  dk
.
2
При выполнении этого условия получим
p1opt 
d э  dk
,
2  g 22
p2 opt 
dэ  d k
2  g вх сл
(4.7)
Подставляя значения оптимальных коэффициентов включения
в (3.6), найдем максимальный коэффициент усиления усилителя
K 0 max 
Y21
1
dэ  dk
2 g22 gвх сл d э
(4.8)
Из последнего соотношения видно, что при собственном затухании контура значительно меньшем эквивалентного максимальный коэффициент усиления усилителя зависит только от
параметров усилительного элемента.
100
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Для определения селективности усилителя воспользуемся (3.5)
при y = 0 (усиление для сигнала) и при y = yп (усиление для помехи). В результате получим
2
где
y 
K
K
Se  c  0  1   п  ,
K п Kfп
 dэ 
f
f
yп  п  c .
fc fп
(4.9)
Из последнего соотношения следует, что селективность усилителя тем больше, чем больше относительная расстройка помехи
и чем меньше эквивалентное затухание контура.
Полоса пропускания резонансного усилителя определяется так
же, как и полоса пропускания одноконтурной входной цепи
   f 0d э  2  1
(4.10)
Лекция 7
4.5. Резонансный усилитель в диапазоне частот
Рассмотрим зависимость резонансного коэффициента усиления от частот.
а) Для усилителя, перестраиваемого емкостью (рис.4.9.):
Рис.4.9 Усилитель, перестраиваемый емкостью
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
101
При р2 = 1 (полностью включен следующий каскад)

K o  p1  Y210  Rэ  p1  S  0  LK  Qэ

Так как Y210  S  const; Qэ  const то c увеличением частоты
ω0 резонансный коэффициент усиления K0 тоже растет. Коэффициент связи р1 выбирают из условия обеспечения устойчивой
работы (его влияние будет рассмотрено ниже).
б) Для биполярных транзисторов в усилителях применяют двойную автотрансформаторную связь (рис.4.10).
Рис.4.10 Усилитель с двойной автотрансформаторной
связью
Для этой схемы
K0 
p1  p2  S  RЭ

1   0
 S
где QЭ 
102



2

p1  p2  S  0  LK  QЭ

1   0
 S



2
1
 добротность контура, dЭ – затухание,
dЭ
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
,
RЭ - эквивалентное сопротивление, GЭ =
ная проводимость
ωs
( GЭ 
1
; - эквивалентRЭ

dЭ
;)
; RЭ 

dЭ
– частота, на которой крутизна S (или проводимость пря-
2
мой передачи Y21) уменьшается в
раз;
S

Y 21 

1   0
 S



2
.
Эквивалентное затухание контура
dЭ 
1
 d K  p12  0  LK  G22  p22  0  LK  GH
QЭ
Здесь р1 и р2 не зависят от частоты:
р1=(L1+M1)/LK; р2=(L2+M2)/LK ;
M1 и M2–коэффициенты взаимоиндукции между L1 (L2) и LK .
От частоты зависят проводимость прямой передачи на резо
нансной частоте Y 210 и эквивалентная добротность
2
QЭ .
2
Если S 0 , то крутизна S ≈ const.
Эквивалентная добротность QЭ с увеличением частоты ω
уменьшается из-за вносимых затуханий со стороны каскада
2
2
(p ·ρ·G22) и со стороны нагрузки (p ·ρ·GН).
При слабой связи контура с транзисторами QЭ уменьшается не
быстро и К0 возрастает медленнее, чем в предыдущей схеме.
Полоса пропускания расширяется с увеличением частоты ω:
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
103
П0,7  f 0  d Э  f 0  (d K  p12  0 LK G22  p22  0 LK GH )
в) усилитель с трансформаторной связью также широко
используются в приемниках (рис.4.11):
Рис.4.11 Усилитель с трансформаторной связью
Для этой схемы имеется контур связи:
 СВ 
1
,
LСВ  С ВЫХ
где С ВЫХ  С 22  С М  С LСВ
и

p2  Y 210  ( M
К0 
LK
 
1  0 
 св 
)  RЭ
2
M
Обозначим
104
p1 
LK
.
0 2
1 (
)
СВ
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
В зависимости от ( 0 / СВ ) возможны способы:
при
2
СВ
02
р1 
M
.
LK
Тогда имеем как для двойного трансформаторного включения:
M
K 0  p2 
 LK
 
  Y 210  RЭ ,

т.е. резонансный коэффициент усиления К0 увеличивается с
увеличением частоты ω.
При
2
СВ
02
M
K 0  p2 
 LK
 
2
  Y 210  RЭ  CВ2
0

Тогда при проводимости прямой передачи на резонансной частоте:
Y210  S  const , Qэ  const
p2  M  S  QЭ   2 СВ const
K0 

0
0

Если учесть, что Y 210  f ( ) , то
K0 
p2  M  S  QЭ   2СВ
 
0  1   0 
 СВ 
2
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
105
г) усилитель с комбинированной связью (рис.4.12):
Рис.4.12 Усилитель с комбинированной связью
В данной схеме имеется внутриемкостная связь за счет конденсатора связи ССВ; cо входом следующего каскада осуществляется трансформаторная связь (LСВ). При этом обеспечивается
постоянство добротности с ростом частоты. При СВ 0 резонансный коэффициент усиления К0 практически не изменяется.
4.6. Влияние внутренней обратной связи через
усилительный прибор на устойчивость работы
резонансного усилителя
На рис.4.13 приведена принципиальная схема одноконтурного
резонансного усилителя с одиночным колебательным контуром
на входе. Контур на входе усилителя может быть или контуром
входной цепи, или контуром предшествующего усилительного
каскада. Входной и выходной контуры настроены на одну частоту f 0 .
106
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис.4.13 Принципиальная схема одноконтурного
резонансного усилителя с одиночным контуром на входе
Согласно (4.2) входная проводимость усилителя определяется
следующим соотношением
Yвх  Y11  Yвх , где Yвх  
Y21Y12
Y22  Yн
(4.11)
Приращение входной проводимости Yвх , зависящее от проводимости нагрузки Yн , имеет место только при наличии обратной связи через усилительный прибор Y12  0 .
Задачей последующего анализа является выяснение влияния
проводимости Yвх на резонансную характеристику входного
контура.
При решении этой задачи учтем, что в транзисторе, включенным по схеме с общим эмиттером, обратная связь обусловлена,
в основном, емкостью коллекторного перехода Ск. Примем, что
усилитель работает на частоте, которая значительно ниже предельной частоты транзистора по крутизне. При этих предположениях транзистор можно представить в виде безинерционного
транзистора, параметры которого не зависят от частоты, и подключенной к нему емкости коллекторного перехода, как это показано на рис. 4.14.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
107
Рис. 4.14 Эквивалентная схема транзистора, используемая для
исследования устойчивости резонансного усилителя
Согласно этой схеме проводимость прямой передачи равна
Y21 
I
2

U
S.
(4.12)
1 при U
 0
2
Для определения проводимости обратной связи учтем, что в режиме короткого замыкания на входе
I   j  C U

1
k 2.
Следовательно,
Y12 
I
1

U
  jCк .
(4.13)
 1 0
2 при U
Входящая (3.11) сумма проводимостей Y22  Yн представляет
собой эквивалентную проводимость выходного колебательного
контура, пересчитанную в выходную цепь транзистора через
квадрат коэффициента включения p1
Y22  Yн 
108
g э2 (1  j2 ) ,
p12
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
(4.14)
где
g э2
- эквивалентная проводимость выходного контура при
y2
d э2
резонансе,
2 
тура, y 2 
f f0
- относительная расстройка выходного конту
f0 f
- обобщенная расстройка выходного кон-
ра, d э2 - эквивалентное затухание выходного контура. После
подстановки (3.12) – (3.14) в (3.11) получим
S jC к p12
S Cк p12 1  j2 .
Yвх 
j
g э2 (1  j2 )
g э2
1  2 2
Резистивная составляющая проводимость Yвх определяется
следующим соотношением
S Cк p12 2
.
g вх 
g э2 1  2 2
Определим проводимость, вносимую во входной контур
g вн  (p 2 ) 2
S Cк p12 2
g э2
1  2 2
(4.15)
Зависимость проводимости, вносимой во входной контур, от
обобщенной расстройки выходного контура приведена на рисунке 4.15. Из рисунка видно, что вносимая проводимость равна нулю на резонансной частоте выходного контура, положительна на частотах выше резонансной и отрицательна на частотах ниже резонансной. Минимальное значение вносимой проводимости имеет место при  2  1 и равно
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
109
g вн min  
1 S Cк (p1p2 )2
2
g э2
(4.16)
g вн
-1
2
1
K/K0
Y12 = 0
Y12=0
2
-1
0
1
Рис. 4.15 Частотная зависимость проводимости
вносимой во входной контур, и резонансные характеристики
входного контура при наличии и отсутствии обратной связи
через усилительный прибор
Затухание, вносимое в контур прямо пропорционально вносимой проводимости. Таким образом, на частотах выше резонансной эквивалентное затухание контура увеличивается, а коэффициент передачи уменьшается из-за положительного вносимого
затухания; на частотах ниже резонансной эквивалентное затухание уменьшается, а коэффициент передачи увеличивается из-за
отрицательного затухания, вносимого в контур.
В результате резонансная характеристика контура искажается
так, как это показано на рис.4.15.
При Y12  0 резонанс входного контура смещается ниже резонансной частоты выходного контура. Полоса пропускания сужается по сравнению с полосой пропускания входного контура при
отсутствии обратной связи через усилительный прибор Y12  0 .
110
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
В случае, когда вносимое отрицательное затухание полностью
компенсирует собственное затухание контура, возникает самовозбуждение усилителя. Самовозбуждение – предельный случай
неустойчивой работы усилителя, который допускать нельзя. Ограничивается также степень искажения резонансной характеристики усилителя из-за действия обратной связи.
Степень искажения резонансной характеристики оценивается
коэффициентом устойчивости усилителя.
Под коэффициентом устойчивости понимается отношение минимального значения эквивалентной проводимости входного
колебательного контура при наличии обратной связи через усилительный прибор к значению этой проводимости при отсутствии обратной связи
K уст 
g э1  g вн min
g э1
1
1 S C к (p1p 2 ) 2
.
2
g э1g э2
Усилитель абсолютно устойчив при
(4.17)
K уст =1. Из (3.17) видно,
что коэффициент устойчивости тем ближе к единице, чем
меньше величина проходной емкости – емкости коллекторного
перехода, чем ниже рабочая частота усилителя, чем больше
проводимости контуров и чем меньше их коэффициенты включения. Из (4.17) видно, что частичное включение колебательных
контуров является эффективным средством повышения устойчивости резонансных усилителей.
Считается, что искажения резонансной характеристики находятся в допустимых пределах, коэффициент устойчивости равен
К уст. доп  0,7...0,9 .
Выясним, какая связь существует между коэффициентом устойчивости и резонансным коэффициентом усиления усилителя
при
g э1  g э2  g э , p 2  p2 .
Для этого перепишем (4.17) в следующем виде
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
111
K уст  1 
1 S2 (p1p2 )2 Ск
1
Cк
 1  K 02
2
2
gэ
S
2
S
(4.18)
Из последнего соотношения видно, что увеличение резонансного коэффициента усиления K 0 сопровождается уменьшением
коэффициента устойчивости.
Потребовав, чтобы фактический коэффициент устойчивости,
определяемый по (4.18) был больше или равен допустимому коэффициенту устойчивости K уст доп , найдем максимальный коэффициент устойчивого усиления
K 0max 
2(1  K уст доп )S
Cк
(4.19)
Впервые эта формула была получена выдающимся специалистом в области радиоприемных устройств членом корреспондентом Академии Наук СССР В.И. Сифоровым для резонансного усилителя на электронной лампе. В формуле В.И. Сифорова
вместо емкости коллекторного перехода транзистора использовалась емкость «анод-управляющая сетка» электронной лампы.
Достоинство формулы В.И. Сифорова состоит в том, что она
позволяет до проектирования определить достижимый коэффициент усиления усилителя, если известны его рабочая частота и
параметры усилительного элемента. Из формулы видно, что коэффициент усиления усилителя тем выше, чем больше отношение крутизны к проводимости емкости коллекторного перехода.
4.7. Способы повышения устойчивости
усилителей
Известны пассивные и активные способы повышения устойчивости. Пассивные сводятся к уменьшению фактического коэф112
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
фициента усиления, чтобы выполнялось усиление K0  K0УСТ .
Для этого достаточно, уменьшить коэффициент включения
или р2.
Например:
p2 
где
d Э  d К   р12    G22
  GH

р1
d э  dk
  GH
d Э  d К  p12    G22  p22    GH
Активные способы позволяют повысить резонансный коэффициент усиления K 0УСТ и тем самым реализовать потенциальные
усилительные возможности активных приборов. К ним относится: - нейтрализация внутренней обратной связи противоположной внешней обратной связью и каскодное соединение активных элементов.
Внутреннюю обратную связь можно нейтрализовать с помощью
специальных цепей. Напряжение обратной связи через цепь
нейтрализации подается на вход усилителя в противофазе с тем,
что поступает через цепь внутренней О.С..
Для этого используется трансформаторный или автотрансформаторный фазоинвертор (рис.4.16). Эта схема применима в узком диапазоне частот (в широкополосных усилителях не применяется).
Каскодное включение усилителей - это включение двух усилительных приборов, когда выход первого усилительного прибора
гальванически соединяются со входом второго (без частотнозависимых связей).
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
113
Рис.4.16 Схема с автотрансформаторным фазоинвертором
и параллельной цепью нейтрализации RNCN.
Влияние внутренней ОС уменьшается, так как общая проводимость ОС определяется обратной проводимостью двух усилительных приборов. Это схемы «ОЭ-ОБ», «ОЭ-ОЭ» и другие.
Схемы “ОЭ-ОЭ” используют на частотах f 0  1  2 МГц , например в УПЧ радиовещательных РПУ. Схемы “ОЭ-ОБ” используются в широкополосных усилителях на полевых транзисторах, построенных по схемам “ОИ-ОЗ”; ”ОИ-ОБ”.
Лекция 8
4.8. Нелинейные явления в УРЧ
1) Нелинейные искажения по ВЧ сигналу.
Анализ УРЧ проводился в предположении, что усилительный
элемент (УЭ) является линейным устройством. В действительности вольтамперные характеристики (ВАХ) имеют заметную
нелинейность, которая приводит к искажением принимаемых
сигналов. При воздействии гармонического сигнала на входе
усилителя с нелинейной ВАХ выходной ток в цепи резонансной
нагрузки имеет негармонический характер. Он может быть
представлен суммой 1-й и высших гармоник. Но из-за резонансных свойств выходное напряжение по ВЧ определяется
первой гармоникой и является гармоническим (вторая и высшие гармоники отфильтровываются).
114
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Т.о., резонансные свойства позволяют избежать нелинейных
искажений по ВЧ.
2) Нелинейные искажения модуляции принимаемых сигналов.
а) при гармонической модуляции с частотой F из-за нелинейности УЭ возникают искажения огибающей на выходе.
Можно показать (рис.4.17), что выходной ток как функция
входного сигнала может быть выражен:
''
1 g

 g  U (1   21  U 2 ) ,
вых
21 c
8 g 21 c
"
где g21 - крутизна УП; g21 – вторая производная крутизны;
Рис.4.17. Зависимость выходного тока от входного сигнала и
второй производной крутизны усилительного элемента
Напряжение на выходе:

 R  f ( S , S '' , U )
вых
вых н
c
"
При g21 < 0 при усилении АМ колебаний происходит умень"
шение глубины модуляции, при g21 > 0 - увеличение.
Этот нелинейный эффект называется “сжатием” и характеризуется зависимостью коэффициента усиления от амплитуды входного сигнала.
Если
U
Uc  U0  (1 m  sin t )
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
115
то по второй гармонике
к.н.и. 
''
 2 3 g 21
 
 m U 2.
0
  16 g 21
"
т.е. искажения пропорционально g21 и квадрату величины амплитуды U0.
Эта зависимость проявляется, если ВАХ УЭ выражается полиномом третьей степени. Если ВАХ определяется полиномом 2ой степени:
iвых  a0  a1U C  a2U C2 ,
то эти искажения отсутствуют, и амплитудная характеристика
является линейной.
В этом случае:
вых1  a1 Uc
В УРЧ применяют автоматическую регулировку усиления изменением крутизны УЭ.
Полевые транзисторы со структурой МОП имеют проходную
характеристику близкую к квадратической и, следовательно, для
"
них g21 = 0. Поэтому в каскаде на полевом транзисторе со
структурой МОП нелинейные искажения будут минимальными.
Обычно допускают в УРЧ к.н.и.  1.5%.
б) при сложной модуляции (с частотами F1, F2 .. . .) выходной сигнал наряду с частотами F1, F2 . . . будет (из-за нелинейности ВАХ УП) иметь на выходе составляющие 2F1,
3F1. . .2F2, 3F2 . . . и т.д., а также комбинационные F1  F2 ;
 p F1  pF2 (p и g – целые числа 1,2,3 . . .), что создает на выходе детектора соответствующие напряжения.
116
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
В транзисторном УРЧ при f < fT искажения определяются нелинейностью входной (   f (U ) ) и проходной   f ( ) хаб
б
k
б
рактеристик.
Нелинейность входной характеристики влияет значительно
больше. Если взять экспоненциальную зависимость
б  f (U бэ ) ,
то по второй гармонике
к.н.и. 
где
B0 
U0
ab
-
3 mB02

16 1 3B 2
0
8
обобщенная амплитуда входного сигнала,
a=(11,2) для германиевых транзисторов,
b
k T ; k - постоq
янная Больцмана; q – заряд электрона.
Для уменьшения нелинейных искажений выбирают режим таким образом, чтобы отношение g '' / g
было минимальным
21
21
и уменьшают амплитуду входного сигнала.
3) Вторичная модуляция.
Напряжение пульсации источников питания с низкой частотой
100  400 Гц может воздействовать на вход УРЧ и менять крутизну УЭ с частотой пульсаций.
При этом будет изменяться с частотой пульсации и входной
сигнал. При отсутствии входного сигнала напряжение пульсации не усиливается, и создается впечатление, что “шумит” радиопередатчик.
Обозначим
g 21 как коэффициент модуляции кру-
mg 21 
'
g 21
тизны напряжением пульсации.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
117
Тогда можно показать, что коэффициент вторичной модуляции
mвторичн. 
mmg 21 / 2 mmg 21 / 2
2m
 mg 21.
т.е. искажения сигнала из-за вторичной модуляции не зависят от
уровня сигнала, а зависят только от амплитуды НЧ, под действием которой
изменяется крутизна УЭ.
Методы ослабления вторичной модуляции:
- уменьшение пульсаций ИП;
- выбор рабочей точки с максимальной линейностью ВАХ.
Для биполярных транзисторов эта модуляция проявляется
резче из-за большой нелинейности ВАХ транзистора по сравнению с полевыми транзисторами.
4) Перекрестная модуляция.
При низкой избирательности входных цепей и УРЧ на вход РПУ
может поступать сигнал от мешающей станции с частотой fn
(помимо полезного fС).
При fС  fn (значительно), то мешающий сигнал далее (в УПЧ)
отфильтровывается; однако, из-за нелинейности ВАХ УЭ
(входной) полезный сигнал может быть промодулирован мешающим сигналом. При этом если сигнал с частотой fС убрать,
то и помехи с частотой fn не будет тоже (как и при вторичной
модуляции).
Можно показать, что
К перекр. 
''
 П 1 mП g 21
2
 

U ОП
 C 2 mC g 21
Отсюда очевидны методы ослабления перекрестной модуляции:
118
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
- в каскаде на полевом транзисторе с МОП-структурой
'' = 0 и
g 21
К перекр . = 0; т.е. необходимо применение полевых
транзисторов;
- при этом должен быть обеспечен правильный выбор
рабочей точки т.о., чтобы обеспечить g '' / g = 0;
21
21
- необходимо снижать уровень помехи UОП, улучшая
избирательность входных цепей и УРЧ.
4.9. Полосовые усилители
4.9.1. Двухкаскадный усилитель с одиночными
взаимно расстроенными контурами
(расстроенная пара)
На рис. 4.18 приведена принципиальная схема двухкаскадного
усилителя с одиночными взаимно расстроенными контурами.
Рис. 4.18 Двухкаскадный усилитель с одиночными
взаимно расстроенными контурами
Резонансные частоты контуров определяются следующими соотношениями
f1  f 0  f 0 ,
f 2  f 0  f 0 ,
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
119
где
f 0 -средняя
частота полосы пропускания усилителя. Экви-
валентные затухания контуров d э одинаковы.
На рис. 4.19 приведены АЧХ первого (К1) и второго (К2) каскадов и результирующая АЧХ двухкаскадного усилителя
K  K1K 2 .
K1
K2
f
f1
f2
K
f
f0
Рис. 4.19. АЧХ первого (К1), второго (К2) каскадов и
двухкаскадного усилителя (К)
Комплексный коэффициент усиления двухкаскадного усилителя
равен
 K
 K
 
K
1
2
K1,0 K 2,0
,
(1  j1 )(1  j2 )
(4.20)
где K1,0 и K 2 ,0 - резонансные коэффициенты усиления первого
и второго каскадов соответственно, 1 и  2 - обобщенные расстройки контуров первого и второго каскадов, которые равны
120
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
где  
1 
2(f  f1 ) 2(f  f 0  f 0 )

   0 ,
f1d э
f 0d э
2 
2(f  f 2 ) 2(f  f 0  f 0 )

   0 ,
f 2d э
f 0d э
2(f  f 0 )
- обобщенная расстройка относительно средf 0d э
ней частоты полосы пропускания,
0 
2 f 0
f 0d э
- параметр
расстройки.
С учетом последних соотношений выражение для комплексного
коэффициента передачи можно представить в следующем виде
 K
 K
 
K
1
2
K1,0 K 2,0
K1,0 K 2,0

(1  j(   0 ))(1  j(   0 )) (1  j) 2  0 2
(4.21)
Модуль комплексного коэффициента передачи равен
K
K1,0 K 2,0
(1  2  02 )2  42

K1,0 K 2,0
(1  02  2 )2  402
.
(4.22)
Исследование последнего соотношения на экстремум дает экстремальную точку при   0 и еще две точки экстремума при
   0 2  1 0  1 .
При 0  1 АЧХ усилителя является двугорбой, как показано на
рис. 4.18, а при 0  1 - одногорбой.
Коэффициент усиления на центральной частоте полосы пропусВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
121
кания получим из (4.22) при   0
K0 
K1,0 K 2,0
.
1  0 2
(4.23)
Коэффициент усиления на центральной частоте полосы пропускания прямо пропорционален резонансным коэффициентам
усиления первого и второго каскадов и уменьшается с увеличением параметра расстройки контуров усилителя.
При определении селективности усилителя учтем, что коэффициентом усиления для сигнала является коэффициент усиления
на центральной частоте полосы пропускания К0, а коэффициентом усиления для помехи Кп при   п .
Разделив коэффициент усиления для сигнала на коэффициент
усиления для помехи, получим
Se 
где
1  
2
П
 02

2
 4 0 2
1  02
П 
2 f П  f 0  .
,
(4.24)
f0 d Э
Можно показать, что полоса пропускания усилителя определяется следующим соотношением
2
П   f 0 d Э  0  1  2 0  2  1
(4.25)
Из него видно, что, как и в усилителе с одиночным контуром,
полоса пропускания прямо пропорциональна центральной частоте полосы и эквивалентному затуханию контуров и увеличивается с увеличением допустимой неравномерности усиления в
полосе.
122
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Кроме того она зависит от параметра расстройки: чем больше
параметр расстройки  0 , тем шире полоса пропускания.
Наряду с расстроенными парами, для формирования требуемой
АЧХ используются расстроенные тройки колебательных контуров.
4.9.2. Усилитель с двухконтурным полосовым
фильтром
Схема усилителя приведена на рис. 4.20.
Рис. 4.20. Усилитель с двухконтурным полосовым
Фильтром
Двухконтурный полосовой фильтр состоит из двух колебательных контуров (L,C), настроенных на одну частоту. Первый контур фильтра включен в цепь стока транзистора данного каскада,
а второй контур во входную цепь следующего. Связь между
k
контурами индуктивная. Фактор связи   , где k  M - коL
dэ
эффициент связи, М – взаимная индуктивность между контурными катушками, dэ – эквивалентное затухание контуров.
Резонансный коэффициент усиления усилителя равен
K 0  SR э p1p2

.
1  2
(4.26)
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
123
Он отличается от коэффициента усиления усилителя с одиночным контуром сомножителем, зависящим от фактора связи между контурами. При увеличении фактора связи коэффициент
усиления усилителя сначала увеличивается, достигает максимального значения при факторе связи   1 , а затем уменьшается из-за усиления взаимного влияния контуров друг на друга и
появления провала АЧХ на центральной частоте полосы пропускания. АЧХ усилителя по форме совпадает с АЧХ расстроенной пары при одинаковых затуханиях контуров и при условии,
что фактор связи усилителя с двухконтурным полосовым
фильтром равен параметру расстройки расстроенной пары. Селективность и полосу пропускания усилителя с двухконтурным
полосовым фильтром можно рассчитать по соответствующим
формулам для расстроенной пары, заменив в них  0 на .
4.10. Усилитель с электромеханическим
фильтром
Принципиальная схема усилителя приведена на рис.4.21. Особенностью усилителя является применение для формирования
АЧХ электромеханического фильтра.
Рис. 4.21 Усилитель с электромеханическим фильтром
Электромеханический фильтр состоит из двух магнитострикционных преобразователей (МСП) и механических резонаторов с
механическими связками. Эффект магнитострикции открыт
Джоулем в 1842г. Он состоит в изменении формы и размера
124
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
некоторых материалов (никель, пермаллой) в магнитном поле.
Относительное изменение составляет порядка L  10 6 .
L
Постоянный магнит МСП создает магнитное поле смещения, а
контурные катушки – магнитный поток возбуждения.
Механические резонаторы представляют собой пластины, диски,
цилиндрические стержни из упругого материала (стали, алюминия). Добротность механических резонаторов существенно выше добротности электрических резонаторов и составляет
Q M  2000..3000 , что обеспечивает более высокую селективность электромеханических фильтров. Малые размеры электромеханических фильтров объясняются существенно меньшей
скоростью распространения механических колебаний по сравнению с электрическими. Следовательно, существенно меньшей длиной волны механических колебаний при одной и той же
частоте колебаний ( 
 vT 
v
). Например, фильтр ЭМПФf
5-465-6, настроенный на частоту 465 кГц имеет полосу пропускания П  5,6  6,4 кГц, избирательность по соседнему каналу
Здб
–56дБ, Rвх=10 кОм; Rвых=1 кОм. Затухание в полосе - 8,5 дБ.
Такие фильтры имеют почти прямоугольную форму АЧХ, малые габариты и хорошую температурную стабильность. Цен-
тральная частота полосы пропускания электромеханических фильтров составляет сотни килогерц или единицы
мегагерц.
Лекция 9
4.11.Усилитель с кварцевым фильтром
На рис.4.22 приведена схема усилителя с кварцевым фильтром,
выполненным по мостовой схеме. Плечами моста являются:
кварцевые резонаторы Q1 и Q2 и две половины катушки индуктивности L1. В одну диагональ моста включен конденсатор С1, а
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
125
во вторую – колебательный контур L2, C2. Контуры L1, C1 и L2,
C2 настроены на частоту принимаемого сигнала.
Рис. 4.22 Усилитель с кварцевым фильтром
Эквивалентная схема кварцевого резонатора приведена на рис.
4.23.
L
C1
r
C2
Рис. 4.23 Эквивалентная схема кварцевого резонатора
Кварцевый резонатор представляет собой колебательный контур, характеризующийся двумя резонансными частотами: частотой последовательного резонанса 1  1 LC1 и частотой параллельного резонанса 2  1 LC , где C  С1С 2 ( C1  C 2 ) .
Кварцевые резонаторы выбираются так, чтобы частота последовательного резонанса кварцевого резонатора Q1 была на величину f 0 меньше, а частота последовательного резонанса кварцевого резонатора Q2 была на величину f 0 больше средней частоты полосы пропускания фильтра. Тогда в пределах полосы пропускания фильтра мост окажется разбалансированным, а напряжение в диагонали моста (на контуре L2, C2) максимальным. По
мере удаления от резонансных частот кварцевых резонаторов
126
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
различие между их сопротивлениями уменьшается, мост оказывается в режиме, близком к балансу, выходное напряжение резко падает. Благодаря высокой добротности кварцевых резонаторов (5..20)  103 усилитель имеет относительно узкую полосу
пропускания и высокую селективность.
4.12. Усилитель с фильтром на поверхностных
акустических волнах
На рис. 4.24 показана принципиальная схема усилителя и топология фильтра на поверхностных акустических волнах (ПАВ).
Рис. 4.24 Принципиальная схема усилителя с фильтром на ПАВ
и топология фильтра
Фильтр на ПАВ представляет собой тонкую пластину из пьезокерамики, на которой находятся два встречноштыревых преобразователя (ВШП). Они наносятся на пластину путем вакуумного напыления алюминия. Каждый ВШП состоит из двух гребенок. Расстояние между штырями каждой гребенки равно длине волны. Расстояние между штырями двух противоположных
гребенок равно половине длины волны. Это обеспечивает необходимое фазирование колебаний, создаваемых каждым штырем.
Сигнал, воздействующий на передающий ВШП, создает переменное электрическое поле, вызывающее упругие деформации
(растяжение и сжатие), которые распространяются по пластине
в виде ПАВ со скоростью 3000 м/с.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
127
В приемном ВШП происходит преобразование ПАВ в электрические колебания. АЧХ фильтра зависит от количества штырей и закона изменения длины штырей в направлении распространения волны - аподизации. При постоянной длине штырей
получается АЧХ с пульсациями, как в полосе пропускания, так и
в полосе задерживания. Аподизация сглаживает пульсации.
Фильтры на ПАВ используют на частотах 30 МГц..3 ГГц.
Катушка индуктивности на входе фильтра образует с входной
емкостью фильтра параллельный колебательный контур, настроенный на частоту сигнала, что увеличивает коэффициент
усиления и повышает селективность усилителя. Аподизация –
это степень перекрытия (закон перекрытия) соседних электродов по длине. Изменяя ее, можно получить АЧХ, близкую к
прямоугольной и максимально плоскую.
Фильтры на ПАВ имеют ряд достоинств: можно получать (изменяя закон аподизации) АЧХ не только прямоугольной формы,
но и сложной, несимметричной формы, например для ТЛВ; при
этом ФЧХ остается линейной, что очень существенно.
Диапазон их применения очень широк. Используется компьютерная оптимизация АЧХ таких фильтров.
4.13. Параметрические усилители СВЧ диапазона
4.13.1. Регенеративный усилитель
Создание высокочувствительных приемников требует разработки малошумящих УРЧ, роль которых особенно велика в приемнике РПУ. Это объясняется тем, что в РПУ диапазона СВЧ
внешние помехи, включая флуктуационные шумы, малы и чувствительность РПУ определяется только внутренними шумами.
Малошумящие СВЧ – усилители могут быть созданы как на
биполярных, так и на полевых транзисторах. Лучшими показателями, особенно в СВЧ диапазоне, обладают параметрические
усилители, использующие принцип регенеративного усиления.
Регенеративным усилителем называют устройство, обеспечи-
128
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
вающие усиление радиосигнала за счет внесения в контур отрицательного сопротивления, что соответствует внесению в
цепь дополнительной энергии.
Энергия сигнала, поступающая из антенны в контур, расходуется на потери в контуре и потери в подключенной нагрузке. При
этом могут быть варианты:
а) если к контуру подключить двухполюсник с отрицательным сопротивлением, то результирующие потери в контуре уменьшаются, при этом возрастает мощность в нагрузке;
б) при равенстве потерь и вносимого отрицательного сопротивления наступает их взаимная компенсация контуре.
При этом сигнал из антенны будет передана в нагрузку без ослабления;
в) если отрицательное сопротивление больше потерь в
контуре, т.е. частично компенсирует не только потери в контуре,
но и часть потерь в нагрузке, то мощность в нагрузке будет
больше мощности входного сигнала, т.е. произойдет усиление
сигнала;
г) если отрицательное сопротивление компенсирует потери в контуре и потери в нагрузке, то в контуре возникнут незатухающие колебания - усилитель превратится в генератор.
С увеличением вносимого в контур отрицательного сопротивления усиление возрастает, но при этом полоса пропускания П
уменьшается.
Отрицательное сопротивление можно создать:
- за счет цепи положительной ОС.
- за счет нелинейных элементов.
По типам нелинейных элементов различают:
- усилители на туннельных диодах
- усилители с варикапом (нелинейной емкостью)
При обмене энергии между электромагнитным полем и атомами
некоторых кристаллов реализуют квантовые усилители.
Принцип регенеративного усиления (рис.4.25):
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
129

 ист
Источник сигнала Регенеративный усилитель
Рис.4.25 Регенеративный усилитель
Сигнал от источника с внутренней проводимостью gи поступает в резонансный контур LC с проводимостью gк; к нему подключены нагрузка с проводимостью gн и двухполюсник с отрицательной проводимостью - g; связь контура с источником
сигнала и с нагрузкой - автотрансформаторная.
Особенность усилителя: и входной и усиленный сигнал соответственно подаются и снимаются с одного и того же контура, т.е.
цепи источника сигнала и нагрузки совпадают.
Усилитель в данном случае является взаимным - вход и выход
могут меняться местами. При этом шумы из нагрузки поступают
на вход, усиливаются, ухудшая шумовые параметры.
Для предотвращения этого используют ферритовые однонаправленные вентили, при этом прохождение сигнала от нагрузки ко входу исключается.
Свойство однонаправленности можно получить двумя путями:
а) с помощью ферритовых однонаправленных вентилей для регенеративных усилителей проходного типа;
б) соединением источника, усилителя и нагрузки через
ферритовый циркулятор - для усилителей отражательного типа
– рис. 4.26:
Сигнал через плечи 1 и 2 поступает в регенеративный усилитель;
усиленный сигнал через плечо з поступает в нагрузку. Отражения от нагрузки поступают в поглотитель (резистивная нагрузка).
130
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис. 4.26 Усилитель отражательного типа
с ферритовым циркулятором
4.14. Выводы по теме
1. Резонансные усилители предназначены для обеспечения
необходимого усиления и частотной селективности радиоприемника.
2. Классификация резонансных усилителей:
- по принципу и особенностям процесса усиления;
- по виду усилительных элементов;
- по виду селективных цепей;
- по способу настройки;
- по применению в радиоприемнике;
3.Требования к усилителям радиочастоты и усилителям промежуточной частоты.
Требования к УРЧ:
- усиление, достаточное для получения заданного отношения
сигнал-шум на входе преобразователя частоты,
- низкий коэффициент шума,
- высокая линейность усиления,
- селективность по побочным каналам приема,
- простота и конструктивная надежность перестройки в диапазоне частот.
Требования к УПЧ:
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
131
- высокое устойчивое усиление,
- низкий коэффициент шума (в приемниках без УРЧ и диодными преобразователями частоты),
- высокая селективность по соседнему каналу приема, т.е.
при сравнительно малых расстройках относительно частоты
принимаемого сигнала.
4 Входные каскады – усилители радиочастоты (УРЧ) - должны иметь малый коэффициент шума, большое Rвх, высокую линейность усиления (линейную амплитудную характеристику),
поэтому их выполняют часто на полевых транзисторах. В УРЧ
на СВЧ применяют полевые и биполярные транзисторы, туннельные диоды; применяются квантовые, параметрические усилители.
5. И в усилителях УРЧ и УПЧ вместе с усилением необходимо обеспечивать высокую селективность. Для этого применяют
резонансные цепи: колебательные контуры, фильтры из связанных контуров. Усилители, где АЧХ близка к прямоугольной
форме благодаря фильтрам, называют полосовыми.
6. В УРЧ и УПЧ применяют, как правило, два варианта схем
построения: схемы с ОЭ и ОБ на биполярных транзисторах,
схемы с ОИ и ОЗ на полевых транзисторах. Усилители с ОЭ позволяют получать наибольшее усиление по мощности (метровый диапазон и более длинные волны). Усилители с ОБ – отличаются высокой устойчивостью против самовозбуждения. Они
применяются в дециметровых и сантиметровых диапазонах
волн. УРЧ в приемнике, как правило, перестраиваемые, работают в диапазоне частот; УПЧ работают на одной фиксированной частоте.
7. Невзаимным называется усилительный элемент, в котором
сигнал проходит преимущественно в одном направлении: со
входа на выход, и практически отсутствует его прохождение в
обратном направлении. Типичным невзаимным усилительным
элементом является транзистор.
8. В режиме детектирования слабых сигналов невзаимный
усилительный элемент является линейным четырехполюсником,
132
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
который описывается системой линейных уравнений с использованием Y-параметров.
9. При наличии внутренней обратной связи через усилительный элемент ( Y12  0 ) входная проводимость усилителя Yвх
отличается от проводимости усилительного элемента в режиме
короткого замыкания на выходе Y11 и зависит от проводимости
нагрузки.
10. При собственном затухании контура значительно меньшем эквивалентного максимальный коэффициент усиления усилителя зависит только от параметров усилительного элемента.
11. Селективность усилителя тем больше, чем больше относительная расстройка помехи и чем меньше эквивалентное затухание контура. Полоса пропускания резонансного усилителя
определяется так же, как и полоса пропускания одноконтурной
входной цепи.
12. Для усилителя, перестраиваемого в диапазоне частот емкостью, с увеличением частоты ω0 резонансный коэффициент
усиления K0 тоже растет.
13. Для биполярных транзисторов в усилителях применяют
двойную автотрансформаторную связь. Эквивалентная добротность QЭ с увеличением частоты ω уменьшается из-за вносимых затуханий со стороны каскада и со стороны нагрузки. При
слабой связи контура с транзисторами QЭ уменьшается не быстро и К0 возрастает медленнее, чем в предыдущей схеме.
Полоса пропускания расширяется с увеличением частоты ω.
14. В приемниках широко используются усилители с комбинированной связью. В этих схемах имеется внутриемкостная
связь за счет конденсатора связи ССВ; cо входом следующего
каскада осуществляется трансформаторная связь (LСВ). При
этом обеспечивается постоянство добротности с ростом частоты.
Для этого вида связи резонансный коэффициент усиления К0
практически не изменяется.
15. Под коэффициентом устойчивости понимается отношение
минимального значения эквивалентной проводимости входного
колебательного контура при наличии обратной связи через усиВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
133
лительный прибор к значению этой проводимости при отсутствии обратной связи.
16. Усилитель абсолютно устойчив при
K уст =1. Коэффици-
ент устойчивости тем ближе к единице, чем меньше величина
проходной емкости – емкости коллекторного перехода, чем ниже рабочая частота усилителя, чем больше проводимости контуров и чем меньше их коэффициенты включения.
17. Увеличение резонансного коэффициента усиления K 0
сопровождается уменьшением коэффициента устойчивости.
18. Частичное включение колебательных контуров является
эффективным средством повышения устойчивости резонансных
усилителей.
4.15. Контрольные вопросы по теме
«Резонансные усилители радиочастоты»
1. Каково назначение УРЧ радиоприемника и какие требования к нему предъявляются?
2. Приведите классификация резонансных усилителей.
3. Что такое невзаимный усилительный элемент?
4. Приведите требования к УРЧ.
5. Приведите требования к УПЧ.
6. Приведите схему однотранзисторного УРЧ с одиночным
колебательным контуром; объясните назначение его элементов.
Приведите варианты схем, используемых в УРЧ и УПЧ.
7. Приведите эквивалентную схему невзаимного усилительного элемента и систему линейных уравнений с использованием Y-параметров для его описания.
8. Как влияет внутренняя обратная связь через усилительный элемент ( Y12  0 ) на входную проводимость усилителя
Yвх ?
9. Чему равны комплексный коэффициент усиления и его
модуль для УРЧ с автотрансформаторным включением колебательного контура?
134
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
10. Чему равны резонансный коэффициент усиления и максимальный коэффициент усиления для УРЧ с автотрансформаторным включением колебательного контура?
11. Чему равны оптимальные коэффициенты включения для
УРЧ с автотрансформаторным включением колебательного контура?
12. Чему равны селективность усилителя и полоса пропускания резонансного усилителя с одиночным колебательным контуром?
13. Приведите эквивалентную схему транзистора, используемого для исследования устойчивости резонансного усилителя.
Чему равна проводимость, вносимая во входной контур? Приведите зависимость этой проводимости от расстройки выходного
контура.
14. Приведите зависимость расстройки входного контура от
вносимой проводимости при расстройке выходного контура.
15. Что понимают под коэффициентом устойчивости резонансного усилителя? Что такое максимальный коэффициент
усиления усилителя?
16. Какие существуют методы повышения устойчивости резонансных усилителей?
17. Перечислите виды нелинейных искажений в УРЧ и дайте
их краткую характеристику.
18. Объясните причину нелинейных искажений по ВЧ сигналу.
19. Объясните причину нелинейных искажений огибающей
сигнала при гармонической и сложных видах модуляции.
20. Объясните причину нелинейных искажений при вторичной модуляции.
21. . Объясните причину нелинейных искажений при перекрестной модуляции.
22. Приведите принципиальную схему двухкаскадного усилителя с одиночными взаимно расстроенными контурами и
принцип ее работы. Приведите результирующую АЧХ.
23. Приведите принципиальную схему усилителя с электромеханическим фильтром и принцип ее работы.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
135
24. Приведите принципиальную схему усилителя с кварцевым фильтром и принцип ее работы.
25. Приведите принципиальную схему усилителя с фильтром
на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и принцип ее работы.
26. Объясните принцип работы регенеративного усилителя.
27.Чем обеспечивается свойство однонаправленности усиления в СВЧ усилителях?
136
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Лекция 10
Тема 5. Преобразователи частоты
5.1. Назначение, основные требования
и классификация преобразователей частоты
Преобразователь частоты предназначен для переноса спектра
сигнала из одной области частот в другую без изменения закона
модуляции. Преобразователь частоты состоит из преобразующего элемента (ПЭ), источника вспомогательных колебаний (гетеродина) с частотой f Г и фильтра, выделяющего полезный продукт преобразования на частоте
f П Р . При действии на входе ПЭ
колебаний с частотами f C и f Г в выходном токе ПЭ образуются комбинационные составляющие вида
nf Г  mfC .
В преобразователях частоты УПОС m  1 , поэтому преобразователь частоты является линейным четырехполюсником по
отношению к входному сигналу.
При n  1 преобразование называется простым, при n  1 комбинационным.
При f пр  f c  nf г имеет место преобразование без инверсии спектра, при f пр  nf г  f c с инверсией спектра (рис.5.1).
Рис.5.1- Преобразование частоты с инверсией спектра
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
137
Для преобразования используются линейные цепи с периодически изменяющимися параметрами: ПЭ – преобразовательный
элемент; Г-гетеродин; Ф – фильтр.
Структурная схема преобразователя частоты (рис.5.2):
Рис.5.2. Структурная схема ПЧ
Режим ПЭ периодически изменяется во времени под действием
напряжения Г с частотой fг; в результате изменяется крутизна
ПЭ, что приводит к преобразованию сигнала.
Предположим, что к ПЭ со строго квадратичной
ВАХ
I 2   ( u ) приложено напряжение Uг гетеродина и некоторое
начальное напряжение смещения Есм (рис.5.3).
Рис.5.3 Изменение крутизны ПЭ под действием
напряжения гетеродина
138
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Под действием напряжения гетеродина u  Eсм  Uг рабочая точка ПЭ начинает периодически изменяться во времени и
крутизна будет изменяться от S' до S ".
Так как
S
di2
du
,
то при квадратичной ВАХ зависимость S(u) линейна от u.
Следовательно, при косинусоидальном напряжении Uг крутизна
S будет изменяться тоже по косинусоидальному закону и содержит постоянную составляющую S0 и первую гармонику S1:
S (t)  S0  S1  cosг t.
Ток на выходе ПЭ: i  S (t ) U ; (приближенно, т.к. не учтена
2
C
нагрузка).
Если
uC  U C  cos ct  c ,
Тогда
i2  (S 0  S1  cos  г t ) U C  cos(c t  c )  S 0 U C cos(c t   c ) 
 0.5 S1 U C  cosг с t  c  0.5 S1 U C  cosг с t  c .
Т.е., ток на выходе ПЭ содержит составляющие трех частот:
fс; fг + fс; fг –f c. Используя фильтр, получаем, например, составляющую:
i2пр  0.5  S1 U C  cos г  с t  c ,
т.е. амплитуда выходного тока ПЭ пропорциональна амплитуде
Uс и сохраняется информация о фазе исходного колебания.
Соотношения сигнала на входе и напряжение на выходе ПЧ
(рис.5.4):
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
139
Рис.5.4 Соотношения сигнала на входе и напряжение
на выходе ПЧ
Т.е., при преобразовании частоты закон модуляции не нарушается, а изменяется только частота несущего колебания на выходе преобразователя
При Uг=0; S1=0; i  0 - преобразования не происходит.
2пр
Чем больше Uг, тем больше S1, тем больше
i2пр .
Основным параметром, характеризующим эффективность процесса преобразования, является коэффициент передачи преобразователя, под которым понимают отношение амплитуды выходного напряжения промежуточной частоты
Uп р к амплитуде
напряжения входного сигнала Uc
Kп р 
Uп р
Uc
.
Требования к преобразователям частоты:
1. Максимальный коэффициент передачи;
2. Линейность по отношению к преобразуемому сигналу;
3. Минимальный уровень побочных каналов приема;
4. Минимальный коэффициент шума;
5. Минимальная связь между резонансными цепями сигнала и гетеродина.
Классификация преобразователей частоты:
140
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
по типу преобразующего элемента (ПЭ)
1. ПЧ на невзаимном безынерционном ПЭ (транзисторные,
интегральные),
2. ПЧ на взаимном безынерционном ПЭ (резистивный диодный, на туннельном диоде),
3. Емкостные преобразователи частоты.
по способу получения колебаний гетеродина
1.С отдельным гетеродином,
2. С совмещенным гетеродином.
по способу управления выходным током ПЭ
1.С двойным управлением,
2.С одинарным управлением.
по количеству ПЭ в преобразователе
1. Простые ПЭ (один ПЭ),
2. Балансные (два ПЭ);
3. Кольцевые (четыре ПЭ);
по соотношению частот гетеродина и сигнала
в преобразователе
1. неинвертирующий преобразователь частоты – если положение боковых полос не изменяется (при f  f  f ),
пр
c
г
2. инвертирующий преобразователь частоты – если положение боковых полос меняется местами (при f  f  f ).
пр
г
с
5.2. Варианты схем преобразователей частоты
На рис.5.5 приведена принципиальная схема балансного преобразователя частоты на базе трехтранзисторного дифференциального каскада с отдельным гетеродином, который на схеме не
показан. Напряжение гетеродина поступает в цепь затвора транзистора Т3 и изменяет ток стока этого транзистора с частотой
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
141
гетеродина. Напряжение сигнала действует между затворами
транзисторов Т1 и Т2 и управляет перераспределением тока
стока Т3 между транзисторами Т1 и Т2.
Рис. 5.5 Балансный преобразователь частоты на
трехтранзисторном дифференциальном каскаде
Поскольку ток, изменяющийся с частотой гетеродина, перераспределяется с частотой сигнала, то в цепях стоков транзисторов
Т1 и Т2 появляются составляющие тока промежуточной частоты.
Так как напряжения сигнала прикладываются к затворам Т1 и
Т2 в противофазе, то составляющие токов стоков этих транзисторов также находятся в противофазе, но равны по абсолютной величине. В результате ток промежуточной частоты обтекает контур L C, настроенный на промежуточную частоту, и создает на нем падение напряжения промежуточной частоты, которое через катушку связи Lc поступает на полосовой фильтр (ПФ)
промежуточной частоты для дальнейшей фильтрации. Элементы цепей постоянного тока аналогичны цепям резонансного
усилителя на трехтранзисторном дифференциальном каскаде.
На рис. 5.6 приведена функциональная схема преобразователя
частоты на операционном усилителе. Напряжение сигнала с
частотой fc поступает на инвертирующий вход операционного
142
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
усилителя, а напряжение гетеродина – на вход преобразователя
синусоидального напряжения в последовательность прямоугольных импульсов с уровнями логического нуля и логической
единицы.
Рис. 5.6 Преобразователь частоты на операционном усилителе
Прямоугольные импульсы частоты гетеродина управляют электронным ключом, который соединяет неинвертирующий вход
усилителя с корпусом. При замкнутом ключе и R 2  R 4 коэффициент передачи усилителя равен –1, а при разомкнутом ключе он равен 1.
Это объясняется следующим. Так как в идеальном операционном усилителе входные токи равны нулю, то при разомкнутом
ключе падание напряжения на R3 равно нулю, следовательно,
потенциал точки 3 равен потенциалу точки 1.
Поскольку падение напряжения между входами идеального
усилителя равно нулю, то потенциал точки 2 равен потенциалу
точки 1, т.е. ток через R2 отсутствует, а значит, отсутствует ток
через R4. Последнее означает, что потенциал точки 4 равен потенциалу точки 1.
На рис. 5.7 показана зависимость мгновенного коэффициента
передачи усилителя от времени.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
143
K(t)=u / u c
1
гt
-1
Рис. 5.7 Временная зависимость мгновенного
коэффициента передачи операционного усилителя
Эту зависимость можно представить рядом Фурье

K(t)   K n cos(n г t) ,
n 1
где Kn - амплитуда n-ой гармоники коэффициента передачи.
Заметим, что при четных n амплитуда n-ой гармоники равна нулю.
При u c  U c cos( c t) напряжение на выходе операционного
усилителя равно

u  u c K(t)  U c cos(c t)  K n cos(nг t) 
n 1


1
1 
Uc K n cos((nг  c )t)   U c K n cos((nг  c )t)

2 n 1
2 n1
При пр  nг  с напряжение промежуточной частоты на выходе преобразователя определится следующим соотношением
u пр 
1
R вх
Uc K n
K пф cos( пр t) ,
2
R вх  R 5
где Rвх - входное сопротивление полосового фильтра (ПФ) промежуточной частоты, а Kпф - его коэффициент передачи.
Следовательно, коэффициент передачи преобразователя равен
144
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
K пр 
1
R вх
Kn
K пф .
2
R вх  R 5
Резистор R5 обеспечивает согласование на входе полосового
фильтра, при малом выходном сопротивлении усилителя сопротивление резистора примерно равно входному сопротивлению фильтра. При преобразовании по первой гармонике
K1 
4,

поэтому коэффициент передачи преобразователя равен
K пр 
K пф

.
Достоинством преобразователя является отсутствие канала прямого прохождения (канала промежуточной частоты), т.к. отсутствует постоянная составляющая коэффициента передачи, и отсутствие побочных каналов приема, обусловленных четными
высшими гармониками мгновенного коэффициента передачи
операционного усилителя.
На рис.5.8 приведена принципиальная схема кольцевого диодного преобразователя частоты.
Рис. 5.8 Кольцевой диодный преобразователь частоты
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
145
Диоды V1..V4 образуют плечи моста. Напряжение сигнала поступает в одну из диагоналей моста, нагрузка – контур промежуточной частоты включен в другую диагональ моста, а между
средними точками обмоток трансформаторов включен источник
гетеродинных колебаний. Напряжение гетеродина существенно
выше напряжения сигнала. Под действием этого напряжения
изменяются сопротивления диодов. В положительный полупериод гетеродинного напряжения открываются диоды V1 и V3,
точка 1 соединяется с точкой 2, а точка 3 с точкой 4 через малые сопротивления открытых диодов, мгновенный коэффициент
передачи диодного моста равен 1. В отрицательный полупериод
гетеродинного напряжения открыты диоды V2 и V4, точка 1 соединяется с точкой 4, а точка 3 с точкой 2 через малые сопротивления открытых диодов, мгновенный коэффициент передачи
диодного моста равен -1. Таким образом, по принципу работы
этот преобразователь частоты подобен преобразователю частоты на операционном усилителе, но может работать на более высоких частотах.
Лекция 11
5.3. Общая теория преобразователей частоты
на безынерционных преобразующих элементах
Преобразующий элемент можно считать безынерционным, если в рабочем частотном диапазоне его параметры не зависят от
частоты. В общем случае преобразователь частоты можно рассматривать как нелинейный шестиполюсник: пара полюсов
предназначена для подключения источника сигнала, вторая пара
– для подключения гетеродина, а третья пара – для подключения
нагрузки – резонансной системы, настроенной на промежуточную частоту (рис. 5.9). В общем случае в цепях сигнала, гетеродина и нагрузки могут быть источники постоянного смещения
Ec, Eг, Епр.
Задачей общей теории является получение эквивалентной схемы
преобразующего элемента как линейного четырехполюсника с
146
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
входным напряжением сигнала и выходным напряжением промежуточной частоты и определение Y – параметров этого четырехполюсника.
Рис.5.9 Преобразователь частоты как нелинейный
шестиполюсник
При решении поставленной задачи учтем, что в безынерционном шестиполюснике входной и выходной токи являются однозначными функциями всех напряжений, приложенных к шестиполюснику
i вх  Fвх (u вх , u вых , e г ),
i вых  Fвых (u вх , u вых , e г ),
(5.1)
где
u вх  E c  u c ,
u вых  E пр  u пр ,
eг
 Eг  uг .
В отсутствии сигнала напряжения на входах шестиполюсника
равны Ec, Eпр и eг. Поэтому входной и выходной токи содержат
постоянные составляющие и составляющие, изменяющиеся с
частотой гетеродина и ее гармоник.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
147
Разложим функции Fвх и Fвых в ряды Тейлора по степеням приращения входного и выходного напряжения, вызванных появлением входного сигнала, ограничившись первыми тремя членами
разложения
 F 
  Fвх 
i вх  Fвх (Ec , E пр ,e г )   вх  u c  
 u пр  ..,
  u вх 0
  u вых 0
F 
F 
i вых  Fвых (E c , E пр ,eг )   вых  u c   вых  u пр  ..
  u вх 0
  u вых 0
Индекс «0» при производных означает, что производные определяются при отсутствии сигнала, но при наличии постоянного
смещения и переменного напряжения гетеродина. Последнее
означает, что эти производные являются периодическими функциями времени, период которых равен периоду гетеродинных
колебаний.
 F 
Производная  вх  представляет собой изменяющуюся во
  u вх 0
времени входную проводимость - мгновенную проводимость
gвх (t) ,
  Fвх 
 - мгновенная проводимость обратной
  uвых 0
производная 
передачи
gобр (t) ,
  Fвых 
 - мгновенная крутизна s(t) ,

u

вх  0
производная 
  Fвых 
 - мгновенная выходная проводимость

u
 вых 0
производная 
g вых (t ) .
148
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
С учетом принятых обозначений запишем выражения для приращений входного и выходного токов
 i вх  gвх (t) u c  g обр (t) u пр ,
 i вых 
s(t) u c  g вых (t) u пр .
Представим мгновенную крутизну и мгновенные проводимости
рядами Фурье

g вх (t)  G вх 0   G вх n cos(nг t),
n 0

g обр (t)  G обр0   G обр n cos(nг t),
n 0

s(t)
 S0
  S n cos(nг t),
n 0

g вых (t)  G вых0   G вых n cos(nг t).
n 0
Положим, что
u c  U c cos( c t),
u пр  U пр cos( пр t).
Подставляя последние соотношения в выражения для приращения входного и выходного токов, получим

 i вх  (G вх0   G вх n cos(nг t)) U c cos(c t) 
n 0

(G обр0   G обр n cos(nг t)) U пр cos( пр t),
n 0

 i вых  (S0   S n cos(nг t)) U c cos( c t) 
n 0

(G вых 0   G вых n cos(nг t)) U пр cos(пр t).
n 0
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
149
Приняв, что
пр  n г  с , в токе  i вх выделим состав-
ляющую частоты сигнала, а в токе  i вых - составляющую промежуточной частоты
1
ic  (G вх 0 Uc  G обр n U пр )cos(c t),
2
1

iпр   Sn U c  G вых 0 U пр  cos( пр t).
2

Таким образом, амплитуды входного тока частоты сигнала и
выходного тока промежуточной частоты определяются следующими соотношениями:
1
I c  G вх 0 U c  G обр n U пр ,
2
1
I пр  Sn U c  G вых 0 U пр .
2
(5.2)
Полученные уравнения являются уравнениями линейного четырехполюсника.
Второе из приведенных выше соотношений называется уравнением прямого преобразования частоты, т.к. оно связывает входное напряжение частоты сигнала с выходным током промежуточной частоты.
Первое уравнение называется уравнением обратного преобразования, т.к. оно связывает выходное напряжение промежуточной
частоты, появившееся за счет прямого преобразования, с входным током частоты сигнала.
Введем параметры преобразующего элемента как четырехполюсника.
1.Входной проводимостью преобразующего элемента называется отношение амплитуды входного тока частоты сигнала
к амплитуде входного напряжения сигнала в режиме короткого
замыкания на выходе. Входная проводимость численно равна
постоянной составляющей мгновенной входной проводимости,
150
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
изменяющейся во времени под действием напряжения гетеродина
G вх пр 
Ic
Uc
 G вх 0 .
при U пр  0
2.Крутизной обратного преобразования называется отношение амплитуды входного тока частоты сигнала к амплитуде
выходного напряжения промежуточной частоты в режиме короткого замыкания на входе. Крутизна обратного преобразования численно равна половине амплитуды n-ой гармоники мгновенной проводимости обратной передачи, изменяющейся во
времени под действием напряжения гетеродина
Sобр 
Ic
1
 G обр n .
U пр при U 0 2
c
3.Крутизной преобразования называется отношение амплитуды выходного тока промежуточной частоты к амплитуде
входного напряжения сигнала в режиме короткого замыкания на
выходе. Крутизна преобразования численно равна половине
амплитуды n-ой гармоники мгновенной крутизны, изменяющейся во времени под действием напряжения гетеродина
Sпр 
Iпр
1
 Sn .
U с при Uпр 0 2
4.Выходной проводимостью преобразующего элемента называется отношение амплитуды выходного тока промежуточной
частоты к амплитуде выходного напряжения промежуточной
частоты в режиме короткого замыкания на входе. Выходная
проводимость численно равна постоянной составляющей мгновенной выходной проводимости, изменяющейся во времени под
действием напряжения гетеродина
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
151
G вых пр 
I пр
U пр
 G вых 0 .
при U с  0
С учетом введенных параметров перепишем уравнения
прямого и обратного преобразования
I c  G вх пр U c 
Sобр U пр ,
I пр  Sпр U c  G вых пр U пр .
(5.3)
Обратное преобразование является специфическим видом обратной связи, отличающейся от обратной связи в усилителях. В
усилителях частота колебаний на выходе равна частоте колебаний на входе. В преобразователях на входе действует напряжение с частотой сигнала, а на выходе – напряжение промежуточной частоты. Проникновение колебаний промежуточной частоты на вход преобразователя не является опасным, т.к. на входе
имеется резонансная цепь, настроенная на частоту сигнала. Сопротивление этой цепи на промежуточной частоте близко к нулю, поэтому падение напряжения промежуточной частоты на
входе отсутствует.
Ток частоты сигнала, образующийся на входе за счет обратного
преобразования выходного напряжения промежуточной частоты, создает падение напряжения на входной резонансной системе, которое может быть в фазе или в противофазе с напряжением входного сигнала, что соответствует положительной или отрицательной обратной связи.
Уравнения (5.3) по форме не отличаются от уравнений, описывающих усилительный элемент (4.1). Поэтому эквивалентная
схема преобразующего элемента отличается от эквивалентной
схемы усилительного элемента только значениями параметров.
Эта схема приведена на рис. 5.10, где
152
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
g вх пр  G вх пр 
Sпр Sобр
Gвых пр  Yн
,
(5.4)
где Yн – проводимость нагрузки.
1
Ic
I пр
g вх пр
SпрUc
2
Gвых пр
Uc
1’
Uпр
Yн
2’
Рис. 5.10 Эквивалентная схема преобразующего элемента
Совпадение по форме эквивалентной схемы преобразующего
элемента с эквивалентной схемой усилительного элемента позволяет использовать все расчетные соотношения, полученные
для резонансных усилителей, для расчета преобразователей
частоты, заменив в них параметры режима усиления на аналогичные параметры в режиме преобразования. Методика нахождения параметров преобразующего элемента заложена в определении этих параметров, важнейшим из которых является крутизна преобразования.
В качестве примера рассмотрим графический методы определения крутизны преобразования.
На рис.5.11 приведены выходные характеристики полевого
транзистора – зависимости тока стока от напряжения между
стоком и истоком – при различных значениях напряжения между затвором и истоком.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
153
ic
мА
10
uзи= 0
8
-1В
6
4
-2В
2
-4В
0
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20 В uси
Рис. 5.11 Выходные характеристики транзистора
Используя это семейство, построим проходную вольтамперную характеристику – зависимость тока стока от напряжения
между затвором и истоком - при uси=10 В. Для этого найдем
точки пересечения вольтамперных характеристик с вертикальной прямой, проходящей через точку на оси абсцисс uси=10В.
Эта характеристика приведена на рис.5.12.
Из рисунка видно, что крутизна проходной вольтамперной характеристики увеличивается с увеличением напряжения между
затвором и истоком. Используя метод определения приращения
тока при приращении напряжения, можно определить крутизну
этой характеристики при различных напряжениях на затворе.
ic
мА
10
-5 -4 -3 -2 -1 0
uзи В
Рис. 5.12 Проходная вольтамперная характеристика
154
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Зависимость малосигнальной крутизны от напряжения на затворе показана на рис. 5.13.
S
I C
U ЗИ
Если выбрать напряжение смещения в середине интервала изменения крутизны по линейному закону, а амплитуду напряжения гетеродина, равную величине напряжения постоянного
смещения, то можно получить максимальную амплитуду первой
гармоники мгновенной крутизны S1, а, следовательно, максимальное значение крутизны преобразования Sпр 
1
S1 , как это
2
видно из рис. 5.13.
Если крутизна проходной вольтамперной характеристики изменяется по линейному закону, то отсутствуют побочные каналы
приема, обусловленные высшими гармониками крутизны.
Если крутизна проходной вольтамперной характеристики изменяется по линейному закону, то отсутствуют побочные каналы
приема, обусловленные высшими гармониками крутизны.
S
мА
В
4
S1
2
S0
-5 -4 -3 -2 -1 0
uзи В
t
E
Uг
t
Рис. 5.13 Изменение крутизны преобразующего элемента
во времени под действием напряжения гетеродина
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
155
В рассмотренном случае имеется только два побочных канала:
зеркальный и промежуточной частоты. Последний обусловлен
постоянной составляющей крутизны S0.
Достоинство графического метода – наглядность, а недостаток –
невысокая точность, особенно при определении крутизны преобразования при комбинационном преобразовании частоты,
осуществляемом за счет высших гармоник крутизны.
Лекция 12
5.4. Частотная характеристика ПЧ
Частотной характеристикой преобразователя частоты называют зависимость его коэффициента усиления от частоты сигнала f при неизменной частоте гетеродина (рис.5.14)
C
U ПР 

K ПР  U   f (c )
C 

при
г = const.
Рис.5.14 Частотная характеристика ПЧ.
На рис. 5.14 показаны:
f  f  f ; - полезный канал (основной) на частоте fC.
C
Г
ПР
f ЗК  f Г  f ПР ; - зеркальный (к основному) канал (помеха).
f ПР  f Г  f С ; - прямой канал (помеха).
156
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Кроме того существуют дополнительные каналы (помехи) на
гармониках частоты гетеродина (на рис. показаны дополнительные каналы только на 2-й гармонике частоты гетеродина).
Для исключения прямого канала промежуточную частоту fПР
выбирают за пределами диапазона fmin  fmax приемника, или на
входе РПУ включают фильтр-пробку, настроенный на fПР.
Остальные нежелательные каналы ослабляются:
- преселектором (выбором необходимого числа фильтров,
добротности контуров и т.д.);
- выбором режима ПЧ, когда уровень гармоник ПЧ будет
минимален;
- выбором схемы ПЧ, где fЗК = 0;
- применением двойного преобразования (первая промежуточная частота выбирается достаточно высокой - для ослабления помех по зеркальному каналу, а вторая промежуточная
частота выбирается достаточно низкой – для ослабления помех
по соседним каналам);
- выбором необходимой величины fПР.
При выборе величины промежуточной частоты fПР руководствуются следующими (достаточно противоречивыми) соображениями.
- необходимо (желательно) выбирать fПР << fmin  fmax рабочего диапазона для ослабления помех по соседним каналам.
На низких частотах обеспечивается высокая добротность контуров и, соответственно, узкая полоса пропускания с хорошей
крутизной скатов их характеристик. Кроме того, повышается
устойчивость усиления;
- fПР должна быть «удалена» от мощной радиостанции,
близко расположенной и по частоте и расстоянию, которая будет мешать по прямому каналу;
- частоту fпр желательно выбирать как можно выше рабочего диапазона частот - улучшается избирательность по каналу
зеркальной частоты fЗК, повышается стабильность работы автоподстройки частоты приемника. Однако при этом понижается
устойчивость УПЧ.
Существуют специальные номограммы для правильной расстановки частот гетеродина, сигнала и выбора промежуточной часВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
157
тоты. Как правило, выбор промежуточной частоты зависит от
назначения УПОС:
- для радиовещательных РПУ СВ и КВ диапазонов, как
правило, fПРОМ = 465кГц;
- для радиовещательных РПУ метрового диапазона выбирается fПРОМ = 6,5 мГц;
- для телевизионного вещания fПРОМ = 38 мГц (для канала
изображения) и fПРОМ = 31,5 мГц (для канала звука);
- для радиолокационных РПУ fПРОМ = 15 - 100 мГц.
5.5. Свисты в преобразователях
При простом преобразовании промежуточная частота равна:
f ПР  f Г  f C .
Этот же сигнал может быть получен от какой-либо мешающей
станции, или из-за нелинейности ВАХ преобразователя:
f КОМБ  nf Г  mf C   f ПР ,
который поступает вместе с полезной fПР на вход УПЧ. Тогда
на вход детектора поступит сумма сигналов fПР и fКОМБ. Их биения будут продетектированы и на выходе РПУ будут колебания
FK  f ПР  f КОМБ  1КГц ,
проявляющиеся в виде акустических сигналов - «свистов». Их
характерная особенность - они зависят от настройки гетеродина приемника.
Из-за биения колебаний двух соседних, близко расположенных
станций могут быть образованы интерференционные свисты с
частотой
FИ  f ПР1  f ПР2  f Г  f C1   f Г  fC 2   f C 2  f C1.
158
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Их основная особенность – независимость от настройки приемника (изменяется только интенсивность свистов).
Борьба со свистами:
- повышение селективности преселектора (повышение
добротности контуров, увеличение их количества и др.);
- выбор режима преобразователя (обеспечение высокой
линейности по крутизне выбором квадратичной характеристики
УЭ);
- ограничение уровня сигнала UC (до допустимого уровня);
- выбор специальных схем преобразователей (например,
балансных);
- правильный выбор промежуточной частоты fПР.
5.6. Одноручечная настройка приемника.
Сопряженная настройка
При работе приемника в диапазоне частот для обеспечения постоянства промежуточной частоты необходимо одновременно
перестраивать и входные цепи, и контур гетеродина. Такая настройка называется «сопряженной». Кроме того, желательно
для удобства оператора настройку вести одной ручкой, когда
селектор и гетеродин настраиваются одновременно (рис.5.15).
Контур сигнала
f0  fC
Контур
гетеродина
f Г  f C  f ПР
Рис.5.15 Сопряженная настройка резонансных контуров
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
159
Обычно применяют сдвоенный блок переменных конденсаторов
СК, а в контур гетеродина добавляют конденсаторы С2 и С3 для
соблюдения настроек контуров гетеродина и селектора.
Коэффициенты перекрытия при fГ > fС:
для селектора:
К ПДС 
fC max
fC min
для гетеродина:
1 f ПР
f Г max fC max  f ПР f C max
fC max
K ПДГ 




f Г min fC min  f ПР fC min 1 f ПР
fC min
1 f ПР
fC max
 K ПДС 
f
1 ПР
fC min
Таким образом, для сопряжения настроек должно быть условие
КПДГ < КПДС.
При fГ < fС получаем, что коэффициент перекрытия гетеродина
1 f ПР
К ПДГ  К ПДС 
1
f ПР
fmax
fmin
должен быть больше коэффициента перекрытия сигнала КПДС,
что практически невыполнимо. Поэтому в диапазонных РПУ
берут fГ > fС.
Для каждого гетеродина обычно выбирают величины емкостей
конденсаторов: с  с
; c  c ; при этом на частоту гете2
max
3
min
родина fГmin влияет величина C2 , а на fГmax влияет величина C3.
На рис 5.16 приведен график сопряжения настроек контуров.
160
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис 5.16 График сопряжения настроек контуров
Конструктивно сдвоенный блок переменных конденсаторов СК
выполняется таким образом, чтобы частоты контуров менялись
линейно с углом 0 поворота пластин конденсатора - т.е. обеспечивалась так называемая «прямочастотная» настройка.
Линия АБ на рис.5.16 показывает изменение частоты селектора
fC от угла 0 поворота пластин настроечного конденсатора Ск.
Линия ВГ показывает требуемое (идеальное) изменение частоты
гетеродина fГ:
f Гидеал  f C  f ПР .
Линия ДЕ показывает изменение частоты гетеродина fГ без
конденсаторов С2 и С3. При этом сопряжение будет только на
частоте 2, а на fC max и fC min настройка контура сигнала будет не
совпадать с настройкой контура гетеродина. В этой точке конденсаторы С2 и С3 почти не влияют на частоту гетеродина fГ.
Линия ЖЗ – это линия сопряжения при учете конденсаторов С2
и С3: на частоте fГmin емкость C2 уменьшает полную емкость
контура гетеродина CПОЛН.Г (так как включена последовательно),
и частота 1 соответствует сопряжению настроек; частота 2 осталась на месте (С2 и С3 почти не влияют). На частоте fГmax емкость C3 увеличивает полную емкость гетеродина и частота 3
также соответствует сопряжению. Таким образом,, с помощью
С2 и С3 можно только в 3-х точках получить полное сопряжение
контуров.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
161
Ошибка сопряжения:
f  f Г  f Гидеал  f Г   fC  f ПР 
Зависимость этой ошибки от частоты называют кривой сопряжения (рис.5.17):
Рис.5.17 Кривая сопряжения контуров
Если выбрать частоты сопряжения f1 и f3 совпадающими с fC
max и fC min соответственно, то этих точках f = 0 имеется полное
сопряжение, но на частотах в интервале f1  f2 и f2  f3 будет
велика ошибка f. Поэтому fC max и fC min выбирают относительно
f1 и f3 таким образом, чтобы максимальная ошибка f была
минимальной (по кривой а, б, в, г). Сопряжение в диапазоне
рассчитывают по методике Сифорова В.И. или по специальным
номограммам. При этом допустимая расстройка преселектора
(частота гетеродина поддерживается точно) выбирается из допустимо возможного пропускания спектра сигнала (или искажений)
,
П
П
f
 С  УРЧ .
max
2
2
где ПС - спектр частот сигнала; ПУРЧ - полоса частот для УРЧ,
включая преселектор. Откуда определяется
ПУРЧ  П С  2 f max .
162
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
5.7. Диодные преобразователи
5.7.1. Диодный резистивный преобразователь
частоты
Диод может быть использован как преобразователь частоты,
как и другой электронный прибор, имеющий нелинейные характеристики.
Диодный резистивный преобразователь частоты применяется в
основном на СВЧ, так как имеет самые малые шумы и очень
простую конструкцию.
Схема преобразователя (рис.5.18):
Рис.5.18. Диодный преобразователь частоты
Эквивалентная схема диода (рис.5.19):
Рис.5.19 Эквивалентная схема диода
Здесь:
q и C - проводимость и емкость электронно-дырочного
перехода;
rS, LS - сопротивление и индуктивность выводовдержателей; C0 – емкость держателя диода;
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
163
В диапазоне УВЧ и СВЧ величинами rS и LS можно пренебречь.
Источник питания Е служит для установки рабочей точки на
рабочем участке характеристики. Изменение q,C = f(u) показано
на рис.5.20:
Рис.5.20 Изменение проводимости и емкости перехода
диода от приложенного к нему напряжения
Для анализа примем, что величины Uc и Uпр < Uг. Амплитуда
напряжения гетеродина Uг должна быть достаточной, чтобы
изменение тока захватывало нелинейный участок ВАХ - это необходимо для преобразования частоты.
При относительно малых величинах Uc и Uпр нелинейность
диода практически не проявляется, т.е. относительно напряжения Uc диод является линейным 4-х- полюсником.
Тогда эквивалентная схема преобразователя для малых значений Uc и Uпр примет вид (рис.5.21).
Рис.5.21. Эквивалентная схема диода при малых
напряжениях сигнала и гетеродина
Для напряжений Uc и Uпр схема линейна. Для напряжения Uг
- схема ведет себя как нелинейная нагрузка (рис.5.22):
164
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис.5.22 Изменение проводимости и емкости перехода
диода от приложенного к нему напряжения при малых
напряжениях сигнала
Если представить напряжение гетеродина
U  U cos t ,
Г
Г
Г
то проводимость и емкость электронно-дырочного перехода
будут изменяться (ряды Фурье):

q(t )  q0   qK cos k Г t
k 1

c(t )  C0   CK cos k Г t
k 1
Тогда ток в цепи диода:
i  U  q  C  du
dt
 U  dc ;
dt
Пусть напряжение сигнала и напряжение промежуточной частоты имеют вид:
uC  U C  cos(C t  C );
u ПР  U ПР  cos(пр t   пр ).
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
165
Тогда с учетом Uпр имеем для неинвертирующего преобразователя, для которого
 пр   с  k г
 с   пр  k г
токи в нагрузке и ток сигнала будут иметь вид:

 ПР U C(0,5qk  j пр  Сk )  U ПР  (q0  j пр  С0 )

 С  U C  (q0  jc C0 )  U ПР  (0,5qk  j0,5c  C k ).
Обозначим 0,5  q  q ; 0,5  С  С - преобразующая проk
пр
k
пр
водимость и преобразующая емкость.
Обозначим проводимости:



11  q0  jcC0 ;  22  q0  jпрС0; 21  qпр  jпрСпр.

12  qпр  jcСпр ;
Тогда токи нагрузки и сигнала преобразователя:










C  U C  11U пр 12
 пр  U C   21 U пр   22;

Параметр  21 отображает преобразование тока сигнала в ток
промежуточной частоты;

Параметр  12 - влияние нагрузки на входной ток в результате
прямого и обратного преобразования.
Тогда напряжения и ток на выходе преобразователя:



U пр    пр Z H ;






 пр U C  21  пр  Z H   22 ;
или
166
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов



U C  21
 пр 

.

1 Z H  22




U пр    пр  Z H  


U C  21Z H


1 Z H  22


K пр 


 пр  Н


UC


 21Z H



1  H  22
 21


 H  22
где

Н 
1

Н
- проводимость нагрузки.
Входная проводимость

 вх 

0




 11 12  K ПР .
UC
- может быть отрицательной.
Диод в режиме преобразования используется в одном из следующих режимов:
1) напряжение гетеродина Uг изменяется преимущественно
в области прямого тока и лишь на часть периода заходит в область iобр, причем в преобразователе применяется диод с малой емкостью. В этом случае главную роль играет нелинейная
резистивность, и схема является резистивным преобразователем.
2) при наличии источника Е напряжение Uг изменяется в
основном в отрицательной области, и применяется диод с относительно большой нелинейной емкостью (варактор). Резистивность проявляется слабо. Это - емкостный преобразователь.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
167
Лекция 13
5.7.2. Диодный емкостный преобразователь
частоты
На анод диода (рис.5.23) подается постоянное питание “-E”.
Током проводимости пренебрегаем.
При этом проводимости:



 11  jc C0 ;  22  j пр С0 ;  12  jc C пр ;

 21  jпр  Спр .
- это параметры преобразователя как функция частоты
 пр.
Рис.5.23. Емкостной преобразователь частоты на диоде
Тогда (см. рис.5.23) коэффициент передачи преобразователя :

K ПР 
j пр Спр

;
 Н  j пр С0
При настройке контура на выходе преобразователя на промежуточную частоту
168
wпр
реактивность равна нулю.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Для неинвертирующего преобразователя коэффициент передачи
преобразователя и его входная проводимость:

K ПР  j пр 
Спр
qН
.

 ВХ  jC0  ( c  пр 
2
Спр
qН
)
Входное напряжение:

,

p
U C  C 
где



 qk1  p 2 q1  j b1   ВХ 


qk1 - проводимость потерь входного контура;
 ,
b1   c  C1   1

L
c 

или
fc f1 ;

f1 f c
1  L1C1 ;
1
.
2 L1C1
b1  1  y1;
y1 
Пренебрегая
qk1 и рассматривая случай резонансной настройки


U C  c  p
q  p  q 
2
1
.

f1 

Здесь С  E Г  q ;
1
вх
На СВЧ преобразователь согласуется с входной цепью. Если
сигнал поступает через линию, это предотвращает отражение
волн и приводит к отсутствию искажений входного сигнала и
обеспечивает Uвых max.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
169
Условием согласования является равенство входного сопротивления преобразователя сопротивлению источника сигнала:
q1  qвх
Тогда
p2
;
qвх
p
q1
U C  EГ  q1  p
При этом
Выходное напряжение
.
2qвх
.
U ВЫХ  U C  K ПР  q ,
т.е.
U ВЫХ  E Г  0,5
Подставляя
q1

 q  пр .
qH
qвх
qвх и q Н  q2  q 2 , имеем коэффициент передачи
преобразователя:
K
где
Если f  f , то
пр
c
q
,
U ВЫХ
 0,5  1 
q2
ЕГ

 1
f пр
fc
.
и происходит усиление сигнала (кроме
преобразования).
170
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
5.8. Выводы по теме
1. Преобразователь частоты предназначен для переноса спектра сигнала из одной области частот в другую без изменения
закона модуляции. Для преобразования используются линейные
цепи с периодически изменяющимися параметрами: преобразовательный элемент; гетеродин; фильтр.
2. При преобразовании частоты закон модуляции не нарушается, а изменяется только частота несущего колебания на выходе преобразователя
3.Основным параметром, характеризующим эффективность
процесса преобразования, является коэффициент передачи преобразователя, под которым понимают отношение амплитуды
выходного напряжения промежуточной частоты
Uп р к ампли-
туде напряжения входного сигнала Uc.
4. Требования к преобразователям частоты:
- максимальный коэффициент передачи;
- линейность по отношению к преобразуемому сигналу;
- минимальный уровень побочных каналов приема;
- минимальный коэффициент шума;
- минимальная связь между резонансными цепями сигнала и гетеродина.
5. Классификация преобразователей частоты:
- по типу преобразующего злемента (ПЭ);
- по способу получения колебаний гетеродина;
- по способу управления выходным током ПЭ;
- по соотношению частот гетеродина и сигнала в преобразователе.
6. Обратное преобразование является специфическим видом
обратной связи, отличающейся от обратной связи в усилителях.
Ток частоты сигнала, образующийся на входе за счет обратного
преобразования выходного напряжения промежуточной частоты, создает падение напряжения на входной резонансной системе, которое может быть в фазе или в противофазе с напряжением входного сигнала, что соответствует положительной или отрицательной обратной связи.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
171
7. Частотной характеристикой преобразователя частоты называют зависимость его коэффициента усиления от частоты сигнала
при неизменной частоте гетеродина.
8. Нежелательные каналы ослабляются:
- преселектором (выбором необходимого числа фильтров,
добротности контуров и т.д.);
- выбором режима ПЧ;
- выбором схемы ПЧ, где fЗК = 0;
- применением двойного преобразования;
- выбором необходимой величины fПР.
9. При выборе величины промежуточной частоты fПР руководствуются следующими (достаточно противоречивыми) соображениями.
- необходимо (желательно) выбирать fПР << fmin  fmax рабочего диапазона;
- fПР д.б. «удалена» от мощной радиостанции, близко
расположенной и по частоте и расстоянию;
- частоту fпр желательно выбирать как можно выше рабочего диапазона частот.
10. Как правило, выбор промежуточной частоты зависит от
назначения УПОС:
- для радиовещательных РПУ СВ и КВ диапазонов, как
правило, fПРОМ = 465кГц;
- для радиовещательных РПУ метрового диапазона выбирается fПРОМ = 6,5 мГц;
- для телевизионного вещания fПРОМ = 38 мГц (для канала изображения) и fПРОМ = 31,5 мГц (для канала звука);
- для радиолокационных РПУ fПРОМ = 15 - 100 мГц.
11. Из-за биения колебаний двух соседних, близко расположенных станций могут быть образованы интерференционные
свисты. Их характерная особенность - они зависят от настройки
гетеродина приемника. Их другая особенность – независимость
от настройки приемника (изменяется только интенсивность свистов).
12. Борьба со свистами:
- повышение селективности преселектора;
- выбор режима преобразователя;
172
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
- ограничение уровня сигнала;
- выбор специальных схем преобразователей;
- правильный выбор промежуточной частоты fПР.
13. При работе приемника в диапазоне частот для обеспечения постоянства промежуточной частоты необходимо одновременно перестраивать и входные цепи, и контур гетеродина. Такая настройка называется «сопряженной». При этом допустимая
расстройка преселектора (частота гетеродина поддерживается
точно) выбирается из допустимо возможного пропускания спектра сигнала.
14. Диод может быть использован как преобразователь частоты, как и другой электронный прибор, имеющий нелинейные
характеристики. Диодный резистивный преобразователь частоты применяется в основном на СВЧ, так как имеет самые малые
шумы и очень простую конструкцию.
15. Диод в режиме преобразования используется в одном из
следующих режимов:
- напряжение гетеродина изменяется преимущественно в
области прямого тока и лишь на часть периода заходит в область обратного тока диода, причем в преобразователе применяется диод с малой емкостью. В этом случае главную роль играет нелинейная резистивность, и схема является резистивным
преобразователем.
- при наличии источника постоянного напряжения напряжение гетеродина изменяется в основном в отрицательной
области, и применяется диод с относительно большой нелинейной емкостью (варактор). Резистивность проявляется слабо.
Это - емкостный преобразователь.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
173
5.9. Контрольные вопросы по теме
«Преобразователи частоты»
1. Каково назначение преобразователя частоты в радиоприемнике?
2. Что такое преобразование: простое, комбинационное, без
инверсии спектра, с инверсией спектра?
3. Какие составляющие частот содержит ток на выходе ПЭ?
4. Как ведут себя амплитуда выходного тока ПЭ и информация о фазе исходного колебания?.
5. Приведите частотную характеристику преобразователя частоты
6. Что является основным параметром, характеризующим эффективность процесса преобразования
7. Приведите требования к преобразователям частоты.
8. Приведите классификацию преобразователей частоты.
9. Объясните принцип работы балансного преобразователя
частоты на трёхтранзисторном дифференциальном каскаде.
10. Объясните принцип работы преобразователя частоты на
операционном усилителе.
11. Объясните принцип работы кольцевого диодного преобразователя частоты.
12. Что такое крутизна преобразования? Поясните суть графического метода ее нахождения через малосигнальную крутизну
преобразующего элемента.
13. Что такое обратное преобразование частоты? Дайте определение крутизны обратного преобразования.
14. Приведите основные способы подавления побочных каналов преобразования частоты.
15. Как осуществляется сопряжение гетеродинного и сигнального контуров?
16. Что называют погрешностью сопряжения? Как она определяется?
17. Что такое интерференционные свисты в супергетеродинном радиоприемнике? Приведите способы их устранения.
18. Что такое свистящие настройки приемника? Приведите
способы их устранения.
174
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
19. В каких режимах преобразования может использоваться
диод СВЧ? Приведите принципиальную схему резистивного
преобразователя и принцип его работы.
20. Чем отличается резистивный преобразователь частоты от
емкостного преобразователя? Приведите принципиальную схему емкостного преобразователя и принцип его работы.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
175
Лекция 14
Тема 6. Амплитудные детекторы
6.1. Назначение,
Детектором называют устройство, служащие для создания напряжения, изменяющегося в соответствии с законом
модуляции одного из параметров входного сигнала.
Классификация детекторов по виду радиосигнала:
1. Радиосигналы гармонические непрерывные (рис.6.1):
Рис.6.1. Гармонический непрерывный радиосигнал с АМ
Соответственно, различают детекторы амплитудные (АД), фазовые (ФД) и частотные (ЧД).
2. Радиоимпульсные сигналы (рис.6.2):
Рис.6.2 Радиоимпульсный сигнал
176
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Соответственно, различают детекторы радиоимпульсов амплитудной (Uпик), частотной (fвх), широтно-импульсной (и), временной импульсной (ни) модуляции.
3. Видеоимпульсные сигналы (рис.6.3):
Рис.6.3 Видеоимпульсные сигналы
Соответственно, различают детекторы видеоимпульсов амплитудно-импульсной (Uпик), широтно-импульсной (и), временной импульсной, или фазово-импульсной (ни) модуляции.
Возможно изменение комбинации импульсов в группе - это относится к кодово-импульсной модуляция (ИКМ).
Детектор, реагирующий на амплитуду Uпик, называют пиковым
детектором.
Амплитудный детектор (АД) – это устройство, на выходе которого создается напряжение, изменяющееся в соответствии с
законом модуляции амплитуды входного гармонического сигнала. Если на входе Uвх модулировано по амплитуде с частотой
F, то на выходе АД имеется напряжение Eд, изменяющееся с
частотой F (по тому же закону, что и модулирующее на входе).
Спектр на входе АД содержит несущую частоту f; и боковые
полосы f  F; спектр на выходе содержит постоянную составляющую Ед0 (f=0) и переменную составляющую с частотой
модуляции F и амплитудой UF.
Т.е., на выходе АД имеется совершенно другой спектр,
которого нет на входе (рис.6.4).
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
177
Рис.6.4 Амплитуда и спектр на входе и выходе АД.
Амплитудные детекторы предназначены для неискаженного
воспроизведения огибающей АМ сигнала.
Основные требования к амплитудным детекторам:
1.Минимальные линейные и нелинейные искажения выходного сигнала;
2.Минимальные высокочастотные пульсации выходного
напряжения;
3.Большое входное сопротивление;
4.Большой коэффициент передачи.
Классификация амплитудных детекторов:
по принципу действия
1.Нелинейные детекторы;
2.Линейные детекторы с периодически изменяющимися параметрами (синхронные детекторы).
-
178
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
по типу детектирующего элемента:
1.Детекторы на невзаимных детектирующих элементах (транзисторные, на ОУ);
2.Детекторы на взаимных детектирующих элементах
(диодные).
-
- по виду цепи невзаимного детектирующего элемента, в
которой происходит детектирование:
1.Эмиттерный;
2.Коллекторный;
3.Стоковый;
4.Истоковый.
6.2.
Параметрические АД (синхронные)
В синхронном детекторе (рис.6.5) под действием гетеродина
периодически во времени меняется параметр цепи. Наиболее
часто этим параметром является крутизна преобразователя,
что характерно для преобразователей частоты.
Рис.6.5 Синхронный детектор
Основное отличие синхронного детектора от преобразователя
частоты является равенство частот гетеродина и сигнала
f  f , т.е. гетеродин должен быть синхронизированным с
Г
C
частотой f (в преобразователе частоты отличаются f  f ).
C
Г
C
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
179
Но принцип работы тот же самый, что и в преобразователе частоты. Ток на выходе преобразующего элемента при f  f с
Г
C
учетом фазы частоты гетеродина  :
Г
i2  S 0 U C  cos c t  c  0,5  S1 U C 
 cos2 c t  г  с  сos г  с  ...
т.е. выходной ток i содержит составляющие f , 2 f . . . и со2
C
C
ставляющие нулевой частоты.
Таким образом, в выходном токе i возникают новые состав2
ляющие, причем составляющая нулевой частотой является полезной, создающей напряжение Eд на выходе фильтра:
i20  0.5 S1 UC  cos(г с ).
Для ее выделения применяется фильтр RнСн.
На сопротивлении Rн выходной ток создает выходное напряжение:
Е Д  i20  RН  0,5 S1 U C  RH  cos( г   с )
т.е. Ед изменяется в соответствии с законами изменения входного сигнала Uc. Кроме того: выходное напряжение
Е  f   , т.е. синхронный детектор реагирует на два паД
г
с
раметра входного сигнала: Uc и  .
с
Для нормальной работы необходимо, чтобы
этом
cos( г   с )  1
и Ед= max.
 с   г . При
Если     900 , то
с
г
cos(г с )  0 и Ед=0. Следовательно, необходима не только
синхронность, но и синфазность Uc и Uг.
180
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Для этого используется цепь синхронизации с АПЧ гетеродина
(рис.6.5).
6.3. Диодные амплитудные детекторы
Диодные АД строятся либо по последовательной (рис.6.6), либо по параллельной схеме (рис.6.7).
Рис.6.6 Схема последовательного диодного АД
C
Iд0
Рис.6.7 Схема параллельного диодного АД.
Временная трактовка работы АД (рис.6.8).
Если
U ВХ
на
входе
АД действует
периодический сигнал
,
то
можно
показать,
что при положительной
 U C  cos ct
полуволне диод открыт, Сн заряжается (до t1); постоянная вреВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
181
мени   r  С мала (заряд конденсатора происходит быстро).
З
д
Н
При и отрицательной полуволне конденсатор Сн разряжается
Рис.6.8 Временные зависимости напряжений
на входе и выходе АД
с постоянной времени 
 RH  CH , которая значительно больразр
ше постоянной времени заряда, так как Rн  rд ; конденсатор
Сн медленно разряжается за период ( t  t ). Напряжение на
1
2
диоде U U Е . По мере роста заряда напряжение Ед
Д
ВХ
Д
возрастает и стремится закрыть диод. Разряд идет до момента t2,
при котором Uд=0. С этого момента диод открывается и начинает снова заряжается. Таким образом, напряжение Ед пульсирующее, с частотой сигнала. Так как постоянная времени
, то уровень пульсации напряжения Ед мал.
  f
р
несущ.
Спектральная трактовка работы АД
(рис.6.9).
Предположим, что Uвх=const (нет модуляции), тогда Ед=const (в
установившимся режиме). Так как Uд = Uвх - Ед, то напряжение
Ед обуславливает отрицательное напряжение смещения на
диоде, относительно которого прикладывается Uвх.
182
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис.6.9. Взаимосвязь входного, выходного напряжения и
напряжения смещения для АД
Представим идеальную ВАХ диода. Тогда iд протекает в периоде 2 ( < 90). В этом токе, естественно, есть постоянная составляющая Iд0: цепь диод-резистор Rн - L- диод; этот ток
создает напряжение Ед = Iд0  Rн.
Составляющие тока iд с частотами f ,2 f ,... протекают по цеc
c
пи : D – Cн – LС контур - D. Если напряжение Uвх промодулировано по амплитуде (АМ колебание), то Ед изменяется в соответствии с законом изменения Uвх (было показано ранее), изменяя смещение на диоде.
Детекторной характеристикой амплитудного детектора называется зависимость приращения постоянного напряжения на
нагрузке детектора, вызванного действием входного сигнала, от
амплитуды напряжения входного немодулированного сигнала
(рис. 6.10). По детекторной характеристике определяются коэффициенты передачи детектора (для немодулированного K д
и модулированного K д сигналов):
Kд 
u н0
,
U вх 0
K д 
U
,
mU вх0
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
183
u н
u н
U
u н 0
UВХ
UВХ0
t
mUВХ0
t
Рис. 6.10 Детекторная характеристика амплитудного детектора и
ее использование для определения коэффициентов передачи и
выходного сигнала
где uн0 - приращение напряжения на нагрузке при действии на
входе немодулированного синусоидального сигнала с амплитудой U вх0 . Напряжение U - амплитуда первой гармоники выходного низкочастотного напряжения, изменяющегося с частотой модуляции  ; m – коэффициент глубины модуляции
входного АМ сигнала при синусоидальном законе модуляции.
Важной характеристикой детектора является его входное сопротивление.
Входным сопротивлением детектора называется отношение амплитуды входного немодулированного сигнала к амплитуде
первой гармоники входного сигнала с частотой несущей
R вх 
184
U вх 0
.
Iвх1
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
6.4. Варианты построения аналоговых
амплитудных детекторов
6.4.1. Последовательный амплитудный диодный
детектор в режиме детектирования сильного сигнала
Для определения детекторной характеристики и коэффициента передачи детектора воспользуемся спектральными представлениями.
В режиме детектирования сильного сигнала можно воспользоваться грубой линейно-ломаной аппроксимацией вольтамперной
характеристики диода, представленной на рис. 6.11,
Su при u  0
,
i
0 при u  0
(6.1)
где S – крутизна нарастающего участка вольтамперной характеристики.
i
i

u

2
t
u вх

Uв х 0
uн
t
Рис. 6.11 Вольтамперная характеристика и временные
диаграммы входного напряжения и тока диода в режиме
детектирования сильного сигнала
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
185
Из схемы (рис.6.6) детектора видно, что к диоду прикладываются переменное напряжение входного сигнала с амплитудой
Uвх0 и напряжение на нагрузке u н , которое является подзапирающим для диода. Из рис. 6.11 следует, что
u н  U вх 0 cos 
u  U вх0 cos(t)  u н  U вх0 (cos(t)  cos )
.
(6.2)
Подставляя последнее соотношение в (6.1), получим
SU (cos(t)  cos ) при    t  0
i   вх 0
при    t  
0
Используя последнее соотношение, определим постоянную составляющую тока диода

1
I   SU вх 0 (cos( t)  cos )d( t) 
0

SU вх0
(sin    cos )

Напряжение на нагрузке равно
uн  I R н 
SR н U вх0
(sin    cos ) .

Напряжение Uн – это напряжение источника смещения плюс
постоянное напряжение на выходе Eд0 детектора за счет детектирования без сигнала модуляции (без АМ).
186
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
uH  Eсм  Едо.; Eдо  I до  RH .
Выражение u  f (S ; R ;U , cos ) - это детекторная хаН
H
вх
рактеристика (рис.6.12).
Рис.6.12 Зависимость приращения выходного напряжения
АД от уровня входного сигнала
Коэффициент передачи детектора для немодулированного колебания
КД 
U Н
U вх0
Используя наряду с последним соотношением выражение для
u н из (5.2), получим трансцендентное уравнение для определения угла отсечки
tg   

.
SR н
Из него видно, что угол отсечки не зависит от амплитуды входного сигнала, следовательно, в режиме детектирования сильноВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
187
го сигнала детекторная характеристика (5.2) диодного детектора линейна, а его коэффициент передачи равен
K д  cos  ,
(6.3)
т.е. детектор - линейный.
Рис.6.13 Зависимость коэффициента передачи АД от угла отсечки (сопротивления нагрузки)
При увеличении SRн
(рис.6.13):
 0
cos  1; K Д  1
При малых значениях угол отсечки равен

3
3
.
SR н
Таким образом, чем больше произведение крутизны диода и сопротивления нагрузки, тем ближе коэффициент передачи к единице (без модуляции).
188
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Углом отсечки определяются все основные параметры детектора. Емкость Сн выбирают так, чтобы не было частотных искажений.
Если
имеется
режим
АМ
колебаний,
т.е.
U вх0  U m 0 (1  m  cos  t ) - входное модулированное напряжение, то напряжение на выходе детектора
U H  U mo  cos  (1  m  cos  t ) .
Амплитуда переменной составляющей выходного напряжения
U   mU m 0  cos 
Коэффициент передачи АД при АМ
KД 
U
 cos .
m  U mo
Таким образом, и без АМ и при АМ детекторная характеристика линейна, а Кд один и тот же.
Лекция 15
6.4.2. Последовательный диодный детектор в режиме детектирования слабых сигналов
На рис. 6.14 приведена вольтамперная характеристика диода,
которая описывается однозначной функцией напряжения, приложенного к диоду. Функция не имеет точек разрыва
i
u
Рис.6.14 Реальная вольтамперная характеристика диода
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
189
Разложим функцию в ряд Тейлора в окрестности точки u  0
по степеням приращения этого напряжения u
i  F(u)  F(0) 
dF
1 d2F
u 
u 2  .. ,
2
du при u 0
2! du при u 0
(6.4)
где u  U вх 0 cos(  t)  u н .
Первая производная функции F(u) при u  0 является крутизной вольтамперной характеристики в начале координат S, а вторая производная функции – первая производная крутизны S .
Подставляя выражение для
ных обозначений, получим
i  S(U вх0 cos( t)  u н ) 
u
в (6.4) с учетом введен-
1 
S (U вх0 cos( t)  u н )2
2!
Выделим постоянную составляющую тока i:
1
I  Su н  SU вх0 2 .
4
Так как u н  I R н , то
uн 
а
КД 
1 SR н U вх 0 2
.
4 1  SR н
(6.5)
U н0 1 S '  R H  U вх0
 
.
U вх0
4 1 SRH
(без модуляции).
Последнее соотношение описывает детекторную характеристику.

2
U H  f U вх0
190

В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Из него видно, что в режиме детектирования слабых сигналов
детекторная характеристика квадратична. Этот вывод относится
и к другим видам амплитудных детекторов (это - без модуляции
АМ).
Обозначим:
1 S '  RH
A
4 1  S  RH
Если имеется режим амплитудной модуляции:
U вх о  U mo  (1  m  cos t ) ,
на входе АД
то ток в нагрузке изменяется из-за квадратичности детекторной
характеристики:
2
I H  A  U mo
 (1  2 m  cos  t )  0 .5m 2  0.5 m 2  cos 2 t ) ,
т.е., ток детектора содержит не только составляющую частоту
модуляции
2
I   2 A  m  U mo
,
но и вторую гармонику:
2
I 2   0.5  A  m 2  U mo
,
т.е. имеются нелинейные искажения:
KГ 
I 2
 0.25  m .
I
Коэффициент передачи детектора
КД 
U
I R
  H  2 A  RH U mo ,
m  U mo m  U mo
т.е. КД зависит от амплитуды несущей сигнала.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
191
Так как детектируется слабый сигнал, то КД мал. Из-за этого (КД
- мал, КГ - велик) режим слабого сигнала практически не используется.
6.5. Эмиттерный детектор
Принципиальная схема детектора приведена на рис. 6.15. По
принципу работы этот детектор подобен последовательному
диодному детектору, т.к. переход база-эмиттер можно рассматривать как эквивалентный диод. Однако имеется одно существенное отличие: входной ток – ток базы - существенно меньше
тока, протекающего через нагрузку – тока эмиттера. Последнее
означает, что при одинаковых значениях сопротивления нагрузки в обоих детекторах - входное сопротивление эмиттерного
детектора значительно (примерно в h 21э раз) больше.
Рис. 6.15 Эмиттерный детектор
Базовый делитель R1, R2 с конденсатором С создают в цепи базы небольшое начальное смещение u0, повышающее эффективность детектирования, как это показано на рис. 6.16
192
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
iэ
u эб
u0
Рис. 6.16 Смещение рабочей точки вольтамперной характеристики транзистора напряжением u0
6.6. Диодный детектор с удвоением напряжения
Диодный детектор с удвоением напряжения (рис. 6.17) содержит два диода V1 и V2, которые по переменному току включены
параллельно, а по постоянному току последовательно, резистор
нагрузки Rн и два конденсатора нагрузки Cн1 и Сн2.
C н1
+
(-)
+
V2
-
V1
u1
uн
i1
(+)
C н2
Rн
+
u вх
Рис. 6.17 Диодный детектор с удвоением напряжения
В положительный полупериод входного напряжения V1 открыт,
а V2 закрыт. Конденсатор Сн1 быстро заряжается через малое
сопротивление открытого диода V1 до напряжения примерно
равного амплитуде входного напряжения. В отрицательный поВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
193
лупериод входного напряжения V1 закрыт, а V2 открыт. Конденсатор Cн2 быстро заряжается через малое сопротивление V2
под действием суммы напряжений на входе и на конденсаторе
Сн1. Поэтому Сн2 заряжается примерно до величины, равной удвоенной амплитуде входного сигнала.
На рис.6.18 приведена вольтамперная характеристика диода VI
и временная диаграмма напряжения, приложенного к этому
диоду.
Рис.6.18 Вольтамперная характеристика диода V1 и временная
диаграмма напряжения, приложенного к этому диоду
Из принципиальной схемы детектора следует, что к каждому
диоду прикладывается половина постоянного напряжения на
нагрузке, а из рисунка 6.18 видно, что
uн
 U вх 0 cos  .
2
Следовательно,
u н  2U вх 0 cos  .
Все рассмотренные выше амплитудные детекторы являются нелинейными детекторами, т.к. результат детектирования обусловлен нелинейностью вольтамперной характеристики детектирующего элемента.
194
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
6.7. Синхронный амплитудный детектор
на операционном усилителе
Функциональная схема детектора приведена на рис. 6.19. Она
отличается от схемы преобразователя частоты на операционном
усилителе (рис. 5.6) тем, что управление электронным ключом
осуществляется последовательностью прямоугольных импульсов, полученных путем преобразования входного сигнала, т.е.
осуществляется с частотой несущей входного сигнала.
Рис. 6.19 Функциональная схема синхронного
амплитудного детектора на операционном усилителе
В результате положительному полупериоду входного напряжения соответствует мгновенный коэффициент передачи операционного усилителя, равный 1, а отрицательному – коэффициент
передачи, равный –1. В результате на выходе операционного
усилителя получается пульсирующий сигнал u, совпадающий с
положительными полупериодами и инвертированными отрицательными полупериодами входного сигнала, как это показано
на рис. 6.20. Этот сигнал сглаживается фильтром нижних частот. В результате выходное напряжение uвых повторяет закон
изменения амплитуды входного сигнала.
Мгновенный коэффициент передачи изменяется синхронно с
входным сигналом, поэтому данный детектор называется синхронным.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
195
Рис. 6.20 Временные диаграммы напряжений на входе и
выходе синхронного амплитудного детектора
6.8. Входное сопротивление последовательного
диодного АД
Диодный АД потребляет ток источника сигнала, величина которого определяется входным сопротивлением Rвх (или проводимостью gвх) - см. рис.6.21.
Рис.6.21 Входное сопротивление АД
При напряжении на входе АД (без модуляции)
U вх  U вх cos wt
ток через диод может быть представлен;
196
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
i Д  I Д 0  I m1 cos wt  I m 2 cos wt  ...
при этом
R
U вх
I
; g вх  m1 .
I m1
U вх
При характеристике диода (рис.6.22) ток через диод может быть
представлен:
Рис.6.22 Идеальная ВАХ диода
i Д  Sпрям  U вх  (coswt  cos ) при 0  wt  
i Д  S обр  U вх  (cos wt  cos  ) при 0  wt  
S Э  S прям  S обр ;
Обозначим
Тогда при наличии Eсм (начального) на АД
I m1 S Э

 (  sin   cos  )  S обр
U вх

При характеристике диода (рис.6.22):
g вх 
Если E нач  0 , то
g вх 
(2  S обр  RH )
RH
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
197
или
Если
Rвх 
S обр  0 ,
то
RH
2  3S обр  R H
Rвх  0,5  RH
Зависимость Rвх  f ( R H ) обусловлена не тем, что
ку включен последовательно с диодом, так как
RH
RH по то-
зашунтиро-
ван C H и переменное напряжение с частотой сигнала на нем
отсутствует. В диодном АД источник сигнала сам шунтирует
диод, который открыт в течение периода 2 .
При возрастании R H возрастает
Е Д , при этом угол отсечки
θ
уменьшается и диод открывается на меньшую часть периода,
что приводит к увеличению Rвх
Лекция 16
6.9. Параллельный диодный детектор
Рис.6.23 Параллельный диодный детектор
Принцип работы параллельного и последовательного АД совпадает. Ток
I до проходит
по цепи VD – RH – E нач - VD. Расчет-
ные формулы - те же самые. При определении
198
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Rвх
необходи-
мо учитывать, что первая гармоника тока параллельного АД
(входного тока) протекает не только через VD, но и через RH.
g вх паралл  g вх 
Поэтому
или
т.о.
Rвх паралл 
Rвх паралл  Rвх посл
или
1
RН
Rвх посл  RH
Rвх посл  R H
Rвх параллл 
RH
,
3
т.е. происходит более сильное шунтирование источника сигнала,
чем при последовательном АД.
Кроме того, на выходе параллельного АД присутствует полное
переменное входное напряжение U
Поэтому для выделения
вх
полезного напряжения
RфCф (рис. 6.24):
ЕД на выходе АД необходим фильтр
Рис.6.24 Схема выделения полезного напряжения на
выходе АД с помощью фильтра RфCф
Параллельные АД применяют тогда, когда на его входе присутствует, помимо полезного сигнала, постоянное напряжение
питания, например питание предыдущего каскада.
Развязка от него осуществляется за счет конденсатора Сн или
разделительного конденсатора Ср.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
199
6.10. Нелинейные искажения при детектировании
АМ колебаний
6.10.1. Искажения из-за нелинейности ВАХ
Начальный участок ВАХ – нелинейный. Для германиевых
диодов Uнелин. 0,1В. На этом участке и возникают нелинейные искажения. Для их устранения необходимо поддерживать
(рис.6.25):
Рис.6.25 Искажения из-за нелинейности ВАХ
- без модуляции
- при наличии модуляции
U ВХ min  U нел
U несущ.  U нел / 1  m .
6.10.2. Искажения из-за большой постоянной
времени нагрузки
При большой постоянной времени нагрузки н (рис.6.26)
конденсатор Сн не успевает разрядиться между полупериодами входного напряжения Uвх, т.е. ЕД убывает медленнее, чем
200
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
уменьшается амплитуда Uвх, что и обуславливает искажения
Uвых АД.
Рис.6.26 Искажения из-за большой постоянной времени
нагрузки н
Условие отсутствия искажений - скорость разряда Сн должна
быть больше скорости спадания Uвх:
1  m2
m
- на самой высокой модулирующей частоте.
 Н  RH  C H 
т.е.
6.10.3. Искажения из-за соизмеримости частоты
модуляции F и частоты несущей fнесущ (рис.6.27)
При соотношении f несущ  F и при правильно выбранной
н
(рис.6.27) емкость Сн успевает следить за огибающей Uвх. Однако при f    2  3 F  напряпостоянной времени
жение Ед практически перестает “отслеживать” частоту модуляции F.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
201
Рис.6.27. Искажения из-за соизмеримости F и fнесущ
Поэтому для устранения этих искажений выбирают
f несущ  f промеж  5  10 Fmax
6.10.4. Искажения из-за разделительного
конденсатора
Рис.6.28. Последовательный АД с разделительным
конденсатором Сразд
Обычно в РПУ постоянная времени  разд  С р  Rвх велика –
много больше периода модулирующей частоты TF  1
F
На разделительном конденсаторе Ср (рис.6.28) выделяется постоянная составляющая Ед0, а на Rвх выделяется
НЧсоставляющая U ; сумма Ед0 + U равна исходному напряжению Ед на выходе АД. При уменьшении U до Едmin, Ср становится источником запирающего напряжения на диоде
202
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
ЕСМ . 
Е Д 0  RH
RH  RВХ .
Рис.6.29. Искажения из-за разделительного
конденсатора Сразд
Так как емкость Ср велика, то она не успевает разрядиться за
период частоты модуляции F (при минимальном напряжении) и
напряжение на резисторе Rн
не уменьшается до Едmin
(рис.6.29). Этот срез проявляется на всех частотах модуляции и
искажения заметны на слух.
Для борьбы с этим видом искажений выбирают UВХmin  EСМ
при условии
R
(1m)  H 
.
RH  RВХ
Обычно сопротивление нагрузки Rн и глубина модуляции m
заданы. Тогда способом борьбы с этим видом искажений является правильный выбор:
RВХ  m  RH
1 m
.
Дополнительно для борьбы с этим видом искажений (из-за
большой величины  разд  С разд  R ВХ ) используются детектор с
разделенной нагрузкой (рис.6.30).
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
203
Рис.6.30 Детектор с разделенной нагрузкой
Сопротивление нагрузки разделено: RH  RH 1  RH 2 ; так как
выбирается Rн1  Rн2, то за счет разряда емкости Ср напряжение смещения Есм выделяется , основном, на Rн2. При этом
Есм значительно уменьшается, уменьшаются и искажения. Но
при этом происходит и уменьшение Кд. За счет 2-х конденсаторов Cн2 и Cн1 улучшается фильтрация для частоты fпр.
6.10.5. Искажения, обусловленные различием
сопротивлений нагрузки амплитудного детектора
по постоянному и переменному току
По постоянному току нагрузка АД определяется сопротивлением Rн; так как Х Ср  0 , то по переменному току нагрузка
определяется параллельным сопротивлением Rн и Rвх:
R 
RH  RВХ
 RH
RH  RВХ
Угол наклона линии нагрузки по постоянному току меньше угла наклона линии нагрузки по переменному току.
Семейство характеристик выпрямления идеального диода
представлено на рис.6.31:
204
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис.6.31 Нагрузочные характеристики для постоянного и
переменного токов при детектировании
В режиме несущей на нагрузке будет выделяться постоянное
напряжение, определяемое точкой А пересечения нагрузочной
линии по постоянному току R=Н и характеристики выпрямления
Um0 (m=0).
При изменении амплитуды входного сигнала от Um0 (m-1) до
Um0 (m+1) из-за другого наклона линии нагрузки по переменному току RН(2) появляются нелинейные искажения в интервале
t1t2, так как в этом промежутке времени диод закрыт.
Условием отсутствия частотных искажений в этом случае является выбор
1
X Ср 
 R ВХ .
НСр
При этих условиях наклоны характеристик нагрузок по переменному и постоянному току RН и RН= совпадают.
6.11.
Работа амплитудного детектора при
воздействии двух колебаний
Часто на входе АД действует два сигнала: или сигнал и помеха; или два колебания различного назначения на одной или разВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
205
ных частотах; с АМ или без модуляции и т.д. – возможно много вариантов.
Рассмотрим простейший случай: оба сигнала немодулированные,
различной частоты (рис.6.32).
u1  U1  cos(1t  1 ); u2  U 2  cos(2t  2 ) .
Их сумма может быть представлена одним колебанием
U рез  u1  u 2  U p (t )  cos1t  рез (t ),
промодулированным по амплитуде и фазе.
Рис.6.32 Действие на входе АД двух сигналов
Амплитуда результирующего колебания
U рез  u12 u22  2u1u2 cos t
и фаза
tg рез (t ) 
где
206
  1   2
U1sin t ,
U1 U 2 cos t
- разностная частота (рис.6.33).
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис.6.33 Векторная диаграмма для двух напряжений
АД не реагирует на фазу колебаний. Рассмотрим только амплитудные соотношения.
Считаем детектор линейным и безинерционным для разностной
частоты. В общем случае напряжение на выходе детектора
u  K Д U P ;
1
 R.
C
Тогда
u  K Д U P  K Д  U12 U 22 2U1U 2 cos t ,
или
u  K Д U1 1
U 22 2U 2

cos t  K Д U1  1 x .
U12 U1
При U > 3U
x < 1.
1
2
Используя разложения вида
x x2
1 x  1   ...
2 8
Получим:


1 U 22

u   K Д  U1   U 2 cos t .


4 U1


В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
207
Приращения колебаний на нагрузке:
U1  K Д U1
U 2   K Д 
U 22
.
4U1
U 2 U 22 << U 2

U1
U 1 4U12
приращения
на выходе АД
отношение на входе АД
т.е. на выходе АД сильный сигнал подавляет слабый. В присутствии сильного сигнала линейный АД ведет себя по отношению
к слабому как квадратичный детектор:
KД2 
т.е., если
u1 -
U  2 K Д U 2

 K Д .
U2
4U1
полезный сигнал, а
u2 -
помеха, то при
u1  u2
на выходе АД отношение сигнал/помеха улучшается.
При обратном соотношении уровней сигнала и помехи, помеха
подавит полезный сигнал. Поэтому необходимо u уменьшать
п
в предварительных каскадах (до детектора).
Случай модулированных колебаний. Пусть имеется два модулированных колебания
u1(t )  U 01(1  m1 cos 1t )
u2 (t )  U 02 (1 m2 cos  2t ).
208
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
причем АД безинерционен как для модулирующих частот  и
1
,
так
и
для
разностной
частоты
,
где


     . ,

1
2
2
т.е. частоты сигналов достаточно близки.
При этом на выходе АД:
2 ,
U  2 1 m 2 U 02
   2
U
2 m1 U 01
1
т.е. подавление слабого сигнала сильным также присутствует,
но оно в два раза ниже.
В инерционном детекторе (где постоянная времени нагрузки
детектора значительно превышает период колебания разностной
частоты  T
), разностная частота значительно превышает

модулирующую частоту
  1,   2 )
подавление слабого колебания сильным не наблюдается.
Лекция 17
6.12. Детектирование радиоимпульсов
Детекторы радиоимпульсов применяют в приемниках импульсных сигналов (рис.6.34).
Рис.6.34 Детектор радиоимпульсов
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
209
Предположим, что на входе детектора имеется идеальный импульс (рис.6.35, а).
Рис.6.35 Диаграммы, отображающие работу детектора
радиоимпульсов
Полоса пропускания контура усилительного элемента настолько широка, что при подключении детектора напряжение на нем
имеет практически прямоугольную форму (штрих пунктирная
линия на рис.6.35, б). За периоды ВЧ полуволны диод заряжается – разряжается, и к концу импульса на емкости нагрузки С
Н
устанавливается напряжение Е . (рис.6.35, б).
уст
В начальный момент времени угол отсечки тока диода   90 0 ,
210
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
т.е. ток протекает весь полупериод U . По мере нарастания
K
E Д до E Дустан. , угол  уменьшается, стремясь к
 уст  3 3 S
прям. RH
.
Это приводит к изменению постоянной составляющей I д0 и
первой гармоники 
диода. Это изменение  приводит к
m1
m1
изменению R диода. В начальный момент
ВХ
(  90 0 )
внутреннее сопротивление открытого диода
Riд ма-
ло и сильно шунтирует контур:
RВХнач 
2
 2Riд
S
По мере установления E с уменьшением угла отсечки
Д
 воз-
растает R . В установившемся режиме R  0,5  R  R
ВХ
ВХ
H
ое
и шунтирования контура нет. Таким образом, напряжение на
выходе АД имеет нарастающую форму (рис.6.35, б). По окончании действия импульса напряжение на Сн разряжается через
Rн по экспоненте (рис.6.35, б.):
uвых (t)  E Д  exp(t
RH CH
).
Таким образом, при детектировании радиоимпульсов имеет
место два переходных процесса, приводящих к искажению импульса:
1) искажается передний фронт
2) изменяется задний фронт
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
211
Рис.6.36. Два переходных процесса, приводящих
к искажению импульса
Так как сопротивление нагрузки Rн велико, то задний фронт
искажается сильнее, чем передний.
Время спада t  t  t устанавливается от 0,9Еуст до 0,1Еуст,
сп
или
1
2
допустимым,
если
tсп  0,25 и . Время нарастания  н  RH  C H  0,1 и .
Для
tспад  2,3 RH  CH .
Считается
надо уменьшать Rн (или  ). Но уменьшен
ние Rн ведет к уменьшению Rвх, и соответственно, к шунтированию контура и, как следствие, - к уменьшению коэффициента передачи Kд.
Сн выбирают обычно не менее С  (9 10)С .
уменьшения
tсп
Н
Д
6.13. Пиковый детектор
Пиковый детектор предназначен для детектирования импульсов постоянного тока. Напряжение на его выходе (рис.6.37)
пропорционально пиковому напряжению видеоимпульсов (в
ТЛВ).
Напряжение на выходе детектора определяется:
Е Д  U пик 
212
 и U пик

ТИ
Q
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
где
- скважность.
TИ
и
Коэффициент передачи пикового детектора
Q
KД 
ЕД 1
 .
U пик Q
Рис.6.37 Входное и выходное напряжение пикового
детектора
При высокой скважности коэффициент передачи K мал. ПоД
этому детектирование применяют при Q < 10.
Рис.6.38 Схема пикового детектора
Как правило, используют параллельную схему пикового детектора. Это обусловлено тем, что на его входе действует напряжение источника питания Еп усилительного го каскада видеоусилителя.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
213
Временная трактовка работы пикового детектора изображена на
рис.6.39:
Рис.6.39 Временная трактовка работы пикового
детектора
Напряжение на нагрузке практически устанавливается до номинального значения за время действия первого импульса и далее
колеблется в небольших пределах ∆Е.
Спектральная трактовка работы пикового детектора (рис.6.40)
Рис.6.40 Спектральная трактовка работы пикового
детектора
Напряжение на нагрузке детектора:
Е Д   Д 0  RH  U пик  Енач  Е Д 
214
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
S RH
.
Q
или
ЕД 
Если E  0 , то
нач
ЕД 
U пик  Енач
.

1 Q

 S RН 
U пик
,
Q
1
S  RH
а коэффициент передачи равен
KД 
ЕД
U пик

1
1
Q
1
S RH
и является функцией скважности.
Для увеличения коэффициента передачи Кд необходимо увеличивать крутизну S и сопротивление нагрузки Rн.
6.14. Выводы по теме
1. Детектором называют устройство, служащие для создания
напряжения, изменяющегося в соответствии с законом модуляции одного из параметров входного сигнала.
2. Различают детекторы:
- амплитудные; фазовые; частотные;
- детекторы радиоимпульсов (амплитудной, частотной,
широтно-импульсной модуляции);
- детекторы временной импульсной модуляции;
- детекторы видеоимпульсов;
- амплитудно-импульсной, широтно-импульсной, фазово-импульсной модуляции,
- детекторы кодово-импульсной модуляция;
- пиковые детекторы.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
215
3. Амплитудный детектор (АД) – это устройство, на выходе
которого создается напряжение, изменяющееся в соответствии
с законом модуляции амплитуды входного гармонического сигнала. На выходе АД имеется совершенно другой спектр, которого нет на входе.
4. Амплитудные детекторы предназначены для неискаженного воспроизведения огибающей АМ сигнала.
5. Основные требования к амплитудным детекторам:
- минимальные линейные и нелинейные искажения выходного сигнала;
- минимальные высокочастотные пульсации выходного напряжения;
- большое входное сопротивление;
- большой коэффициент передачи.
6. Классификация амплитудных детекторов:
по принципу действия
- по типу детектирующего элемента:
- по виду цепи невзаимного детектирующего элемента, в
которой происходит детектирование:
7. В синхронном детекторе под действием гетеродина периодически во времени меняется параметр цепи. Наиболее часто
этим параметром является крутизна преобразователя, что характерно для преобразователей частоты. Основное отличие синхронного детектора от преобразователя частоты является равенство частот гетеродина и сигнала, т.е. гетеродин должен
быть синхронизированным с частотой сигнала.
8. Диодные АД строятся либо по последовательной (рис.6.6),
либо по параллельной схеме.
9. Детекторной характеристикой амплитудного детектора называется зависимость приращения постоянного напряжения на
нагрузке детектора, вызванного действием входного сигнала, от
амплитуды напряжения входного немодулированного сигнала.
По детекторной характеристике определяются коэффициенты
передачи детектора (для немодулированного и модулированного сигналов).
10. Важной характеристикой детектора является его входное
сопротивление. Входным сопротивлением детектора называется
216
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
отношение амплитуды входного немодулированного сигнала к
амплитуде первой гармоники входного сигнала с частотой несущей.
11. При детектировании в режиме сильного сигнала:
- чем больше произведение крутизны диода и сопротивления нагрузки, тем ближе коэффициент передачи к единице
(без модуляции);
- углом отсечки определяются все основные параметры
детектора;
- и без АМ и при АМ детекторная характеристика линейна, а Кд один и тот же.
12. В режиме детектирования слабых сигналов детекторная
характеристика квадратичная. Этот вывод относится ко всем
видам амплитудных детекторов (это - без модуляции АМ).
13. В режиме детектирования слабых сигналов коэффициент
передачи зависит от амплитуды несущей сигнала. Так как детектируется слабый сигнал, то коэффициент передачи мал. Из-за
этого режим слабого сигнала практически не используется.
14. Входное сопротивление последовательного диодного АД
составляет Rвх  0,5  RH . Зависимость Rвх  f ( R H ) обусловлена не тем, что нагрузка RH по току включена последовательно с диодом. В последовательном диодном АД источник сигнала сам шунтирует диод, который открыт в течение периода 2 .
При возрастании
R H возрастает выходное напряжение Е Д .
При этом угол отсечки θ уменьшается и диод открывается на
меньшую часть периода, что приводит к увеличению Rвх .
16. Для параллельного диодного детектора
Rвх параллл 
RH
,
3
т.е. происходит более сильное шунтирование источника сигнала,
чем при последовательном АД. Кроме того, на выходе параллельного АД присутствует полное переменное входное.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
217
16. Параллельные АД применяют тогда, когда на его входе
присутствует, помимо полезного сигнала, постоянное напряжение питания, например питание предыдущего каскада. Развязка
от него осуществляется за счет конденсатора Сн или разделительного конденсатора Ср.
17. Нелинейные искажения при детектировании АМ колебаний:
- искажения из-за нелинейности ВАХ;
- искажения из-за большой постоянной времени нагрузки;
- искажения из-за соизмеримости частоты модуляции и
частоты несущей;
- искажения из-за разделительного конденсатора;
- искажения, обусловленные различием сопротивлений
нагрузки амплитудного детектора по постоянному и переменному току;
18. При работе амплитудного детектора при воздействии
двух колебаний (один из них – помеха):
- для безинерционного детектора при отсутствии модуляции сильный сигнал на выходе АД подавляет слабый. Т.о., на
выходе такого АД отношение сигнал/помеха улучшается. При
обратном соотношении уровней сигнала и помехи, помеха подавит полезный сигнал. При наличии модуляции подавление слабого сигнала сильным также присутствует, но оно в два раза
ниже;
- в инерционном детекторе подавление слабого колебания
сильным не наблюдается.
19. При детектировании радиоимпульсов имеет место два переходных процесса, приводящих к искажению импульса:
- искажается передний фронт импульса;
- изменяется задний фронт импульса.
20. Пиковый детектор предназначен для детектирования импульсов постоянного тока. Напряжение на его выходе пропорционально пиковому напряжению видеоимпульсов (в ТЛВ). Как
правило, используют параллельную схему пикового детектора.
Это обусловлено тем, что на его входе действует напряжение
источника питания усилительного каскада видеоусилителя.
218
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
6.15. Контрольные вопросы по теме «Амплитудные
детекторы»
1. Что такое детектор сигнала?
2. Приведите классификацию детекторов по виду радиосигнала
3. Приведите основные требования к амплитудным детекторам:
4. Приведите классификацию амплитудных детекторов;
5. Приведите принципиальную схему параметрического
(синхронного) АД и принцип его работы.
6. В чем заключается основное отличие синхронного детектора от преобразователя частоты?
7. Приведите принцип работы диодного АД, построенного по
последовательной схеме. Приведите временную и спектральную трактовки работы АД.
8. Что такое детекторная характеристика АД и как по ней определяются коэффициенты передачи для немодулированного и
модулированных сигналов?
9. Как определяются детекторная характеристика и коэффициенты передачи в режиме сильного сигнала для немодулированного и модулированных сигналов последовательного амплитудного детектора?
10. В чем особенность работы последовательного амплитудного детектора в режиме детектирования слабых сигналов?
11. Как определяется угол отсечки  тока диода детектора в режиме сильного сигнала? Как он зависит от сопротивления нагрузки
Rн?
12. Приведите принципиальную схему эмиттерного детектора и принцип его работы.
13. Приведите принципиальную схему диодного детектора
с удвоением напряжения и принцип его работы.
14. Приведите принципиальную схему синхронного амплитудного детектора на операционном усилителе и принцип его
работы.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
219
15. Приведите особенности определения входного сопротивления последовательного диодного АД и его зависимость от
сопротивления нагрузки.
16. Приведите особенности определения входного сопротивления параллельного диодного АД и его зависимость от сопротивления нагрузки.
17. Приведите перечень причин возникновения нелинейных
искажений при детектировании АМ колебаний и основные методы их устранения.
18. Приведите особенности работы детектора с разделенной
нагрузкой.
19. В чем заключаются особенности работы линейного безинерционного амплитудного детектора при воздействии двух
колебаний при наличии и отсутствии модуляции?
20. В чем заключаются особенности работы линейного инерционного амплитудного детектора при воздействии двух колебаний при наличии и отсутствии модуляции?
21. Приведите схему детектора радиоимпульсов, принцип его
работы и диаграммы, отображающие работу детектора радиоимпульсов.
22. Какие переходные процессы имеют место при детектировании радиоимпульсов и к чему они приводят?
23. Приведите схему пикового детектора, особенности его работы, а также временную и спектральную трактовки его работы.
220
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Лекция 18
Тема 7. Амплитудные ограничители
7.1. Амплитудные ограничители (АО).
Назначение. Виды ограничителей
Амплитудный ограничитель предназначен для поддержания
постоянства амплитуды выходного напряжения при изменяющейся амплитуде входного сигнала.
Виды ограничителей:
- ограничители мгновенных значений
- амплитудные ограничители
В ограничителях мгновенных значений обеспечиваются постоянство максимальных либо минимальных значений, либо тех и
других (рис.7.1):
Рис.7.1 Форма напряжения на входе и выходе амплитудного
ограничителя при ограничении мгновенных значений
Особенность данного вида ограничения:
1) Форма напряжения на выходе отличается от входного;
2) Имеются участки с постоянным напряжением на выходе.
Амплитудные ограничители: случай для ограничения синусоидальных колебаний с меняющейся амплитудой (рис.7.2- а)
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
221
Рис.7.2-а. Форма напряжения на входе амплитудного ограничителя при ограничении синусоидальных колебаний с меняющейся амплитудой
Рис.7.2-б. Форма напряжения на выходе амплитудного
ограничителя при ограничении синусоидальных колебаний с
меняющейся амплитудой
Напряжение по амплитуде на выходе ограничителя (рис.7.2-б)
постоянное, а частота и фаза при ограничении не изменяется.
Такие АО, не внося заметных искажений в частотную и фазовую
модуляции, устраняют паразитную амплитудную модуляцию.
Ограничение - нелинейная операция; при этом на выходе появляются дополнительные гармонические составляющие. Для их
устранения устанавливается фильтр (рис.7.3):
Рис.7.3 Структурная схема амплитудного ограничителя
222
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
- фильтр выделяет 1-ю гармонику тока (если исключить
фильтр, то получится ограничитель мгновенных значений).
В зависимости от вида нелинейного элемента применяются
либо диодные, либо транзисторные ограничители.
Амплитудной характеристикой амплитудного ограничителя
(характеристикой ограничения) называется зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды напряжения входного немодулированного сигнала.
Типичная характеристика ограничения представлена на
рис. 7.4:
Uвых
0
Uвх 0
Uвх
Рис. 7.4 Амплитудная характеристика амплитудного
ограничителя
На начальном участке характеристики при U вх  E амплитуда
выходного напряжения прямо пропорциональна амплитуде
входного напряжения. При дальнейшем увеличении U вх амплитуда выходного напряжения изменяется в небольших пределах.
В идеальном случае она должна быть постоянной. Амплитуда
входного напряжения U вх 0 , при превышении которой каскад
входит в режим ограничения, называется порогом ограничения.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
223
7.2. Варианты построения амплитудных
ограничителей
7.2.1. Амплитудный ограничитель с односторонним ограничением и переменной отсечкой
Принципиальная схема ограничителя приведена на рис. 7.5.
Рис. 7.5 Амплитудный ограничитель с односторонним
ограничением и переменной отсечкой
В цепь затвора полевого транзистора включен последовательный амплитудный детектор. Напряжение с амплитудой Uk поступает на детектор с входного колебательного контура. Постоянное напряжение на сопротивлении нагрузки детектора Rн равно UkKд, где Kд – коэффициент передачи амплитудного детектора. Это напряжение является напряжением отрицательного
смещения для транзистора. Наряду с напряжением смещения на
входе транзистора действует переменное напряжение с амплитудой U вх  pU k (р- коэффициент включения).
Из рис. 7.6 видно, что при малых амплитудах входного напряжения выходной ток i изменяется в пределах участка проходной
вольтамперной характеристики близкого к линейному, каскад
224
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
работает в режиме усиления, амплитуда выходного напряжения
прямо пропорциональна амплитуде входного сигнала.
i
imax
t
Uвх
u
U kK д

t
Рис. 7.6 Проходная вольтамперная характеристика транзистора
и временные диаграммы входного напряжения и выходного тока
транзистора
Чем больше амплитуда входного напряжения, тем больше напряжение смещения на затворе транзистора, и каскад переходит
в режим работы с отсечкой выходного тока.
Так как амплитудный ограничитель имеет резонансную нагрузку, настроенную на частоту входного сигнала, то падение напряжения на нагрузке создается только первой гармоникой выходного тока. Амплитуда первой гармоники тока увеличивается
с увеличением максимального значения тока
i max
и угла отсеч-
ки  . Поскольку с увеличением i max угол отсечки уменьшается, то появляется возможность поддержания постоянства амплитуды первой гармоники тока, следовательно, и амплитуды выходного напряжения. При больших значениях коэффициента
включения p максимальное значение тока i max увеличивается
в большей степени, чем уменьшается угол отсечки, имеет место
режим недоограничения. При малых значениях коэффициента
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
225
включения p максимальное значение тока i max увеличивается в
меньшей степени, чем уменьшается угол отсечки, имеет место
режим переограничения. Следовательно, существует оптимальное значение коэффициента включения
p opt ,
при котором ам-
плитуда выходного напряжения остается постоянной при изменении амплитуды входного напряжения.
Сказанное иллюстрируется рис. 7.7. Достоинство данного амплитудного ограничителя является возможность обеспечения
постоянства амплитуды выходного напряжения при изменении
амплитуды входного сигнала в широких пределах.
U ВЫХ
P > Popt
P = Popt
P < Pop t
UВ Х
Рис. 7.7 Амплитудные характеристики ограничителя с
односторонним ограничением и переменной отсечкой при
различных значениях коэффициента включения
7.2.2. Двусторонний амплитудный ограничитель
На рис. 7.8 показан трехтранзисторный дифференциальный
каскад.
На транзисторе Т3 собран генератор стабильного тока, ток которого I перераспределяется между транзисторами Т1 и Т2 под
действием напряжения u, действующего на дифференциальном
входе между базами Т1 и Т2. Дифференциальный вход является
входом ограничителя. Резонансная нагрузка - колебательный
контур - включена в коллекторную цепь Т2.
На рис. 7.9 показана зависимость выходного тока i от напряжения на дифференциальном входе и временные диаграммы входного напряжения и выходного тока при разных значениях амплитуды входного напряжения.
226
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис. 7.8. Двусторонний амплитудный ограничитель
Рис. 7.9 – Зависимость выходного тока от напряжения на
дифференциальном входе и временные диаграммы входного
напряжения и выходного тока
При u = 0 ток генератора стабильного тока распределяется поровну между транзисторами Т1 и Т2.
При увеличении положительного значения напряжения
u
ток
i
уменьшается, достигая нулевого значения при u  u 0 . При
уменьшении отрицательного напряжения u ток i увеличивается,
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
227
достигая значения тока I при полностью закрытом транзисторе
V1. Это происходит при u  u 0 .
Из рисунка видно, что при амплитуде входного напряжения u <
u0 выходной ток изменяется по синусоидальному закону, а его
амплитуда прямо пропорциональна амплитуде входного напряжения, т.е. каскад работает в режиме усиления.
При u > u0 имеет место отсечка тока с двух сторон. Выходной
ток приобретает форму трапецеидальных импульсов, которые
стремятся к прямоугольным по мере увеличения амплитуды
входного напряжения, рост амплитуды первой гармоники этого
тока замедляется.
В режиме ограничения амплитуда первой гармоники выходного
2
4
I
до значения I , т.е. в
раз.


2
В таких же пределах изменяется амплитуда выходного напряжения.
тока изменяется от значения
7.3. Выводы по теме
1. Амплитудный ограничитель предназначен для поддержания постоянства амплитуды выходного напряжения при изменяющейся амплитуде входного сигнала.
2. Виды ограничителей:
- ограничители мгновенных значений;
- амплитудные ограничители.
3. В ограничителях мгновенных значений обеспечиваются
постоянство максимальных либо минимальных значений, либо
тех и других. Особенность данного вида ограничения:
- форма напряжения на выходе отличается от входного;
- имеются участки с постоянным напряжением на выходе.
4. В амплитудных ограничителях напряжение по амплитуде
на выходе ограничителя постоянное, а частота и фаза при ограничении не изменяется. Такие АО, не внося заметных искажений в частотную и фазовую модуляции, устраняют паразитную
амплитудную модуляцию.
228
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
5. Ограничение - нелинейная операция; при этом на выходе
появляются дополнительные гармонические составляющие.
Для их устранения устанавливается фильтр.
6. В зависимости от вида нелинейного элемента применяются
либо диодные, либо транзисторные ограничители.
7. Амплитудной характеристикой амплитудного ограничителя (характеристикой ограничения) называется зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды напряжения
входного немодулированного сигнала.
7.4. Контрольные вопросы по теме «Амплитудные
ограничители»
1. Для чего предназначен амплитудный ограничитель в радиоприемнике?
2. Перечислите виды ограничителей и их особенности;
3. Приведите структурную схему амплитудного ограничителя
и назначение его элементов;
4. Приведите амплитудную характеристику амплитудного ограничителя и ее особенности;
5. Приведите схему амплитудного ограничителя с односторонним ограничением и переменной отсечкой и ее особенности;
6. Приведите схему двустороннего амплитудного ограничителя и ее особенности;
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
229
Тема 8. Детекторы угловой модуляции
8.1. Аналоговые фазовые детекторы. Балансный
диодный фазовый детектор
Фазовый детектор предназначен для формирования выходного
сигнала, повторяющего закон изменения фазового сдвига входного сигнала относительно опорного колебания.
Детекторной характеристикой фазового детектора называется
зависимость приращения постоянного напряжения на нагрузке,
вызванного действием входного сигнала, от фазового сдвига
между входным немодулированным сигналом и опорным колебанием, частота которого равна частоте входного сигнала.
Особенностью детекторной характеристики фазового детектора
является ее периодичность. Период характеристики равен 2 .
Типичной детекторной характеристикой является косинусоида.
Рассмотрим варианты построения балансного диодного фазового детектора.
Принципиальная схема детектора приведена на рис. 8.1.
Рис. 8.1 Балансный диодный фазовый детектор
Детектор имеет сигнальный вход и вход опорного колебания.
Он состоит из двух последовательных амплитудных детекторов,
нагрузки которых включены последовательно.
230
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Постоянная составляющая тока диода V1 создает на сопротивлении нагрузки напряжение u н1 . Постоянная составляющая
тока диода V2 создает на сопротивлении нагрузки напряжение
u н2 .
Учитывая направления токов диодов, можно записать:
u н  u н1  u н2 .
Из схемы видно, что к диоду V1 приложена сумма опорного напряжения и напряжения сигнала, а к диоду V2 разность этих напряжений (рис.8.2):.
Uc
φ
-Uc
Uo
UД1
UД2
Рис. 8.2 Векторная диаграмма напряжений,
приложенных к диодам детектора
Из векторной диаграммы напряжений, приложенных к диодам,
видно, что амплитуды напряжений Uд1 и Uд2 зависят от фазового
сдвига между вектором сигнала и вектором опорного колебания.

В частности при  
длины векторов одинаковы, значит,
2
u н1  uн2
и
uн  0 .
ложительно, а при  
При  

выходное напряжение по2

- отрицательно.
2
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
231
Точное значение выходного напряжения определяется следующим соотношением
u н  K Д ( U o 2  U c 2  2U o U c cos   U o 2  U c 2  2U o U c cos  ) ,
где Kд – коэффициент передачи диодного детектора.
Можно показать, что
2 K Д U C cos 
UH  
2 K Д U O cos 
при U O  U C
при U C  U O
Последние соотношения описывают детекторную характеристику в общем и частных случаях. При U C  U O детекторная характеристика не зависит от напряжения входного сигнала, значит, не нужен амплитудный ограничитель перед детектором.
8.2. Кольцевой фазовый детектор
Принципиальная схема детектора приведена на рис.8.3.
Рис. 8.3 Кольцевой фазовый детектор
232
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Детектор состоит из диодного моста, в одну из диагоналей которого подается входной сигнал, в другую – опорное колебание.
Нагрузка в виде параллельно соединенных резистора и конденсатора включена между средними точками вторичных обмоток
сигнального трансформатора и трансформатора опорного колебания. Опорное напряжение управляет диодным мостом. В положительный полупериод опорного напряжения открываются
диоды V3 и V4, а диоды V1 и V2 закрыты. Точка “1” соединяется с точкой 2 через малые сопротивления открытых диодов и
сопротивление источника опорного напряжения, пересчитанного к половинкам вторичной обмотки трансформатора опорного
колебания. В отрицательный полупериод опорного колебания
открываются диоды V1 и V2 и запираются диоды V3 и V4. Точка 3 соединяется через малое сопротивление с точкой 2.
Сказанному соответствует эквивалентная схема, приведенная на
рис.8.4.
Из рисунка следует, что мгновенный коэффициент передачи диодного моста K(t) 
u
изменяется от –1 до 1 так, как показаuc
но на рис. 8.5
K(t)
1
t
-1
Рис. 8.5 Мгновенный коэффициент передачи диодного моста
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
233
Представим мгновенный коэффициент передачи рядом Фурье

K(t)   K n cos  n t  .
n 1
При
u c  U c cos(  t  ) напряжение u равно
1 
u   U c K n cos((  n ) t  )) 
2 n 1
1 
  U c K n cos((  n ) t  ))
2 n 1
.
Напряжение u содержит постоянную составляющую, которая выделяется на нагрузке
uн 
1
2
K1U c cos   U c cos  .
2

8.3. Ключевой фазовый детектор
Функциональная схема ключевого фазового детектора приведена на рис. 8.6.
Рис. 8.6 Функциональная схема ключевого фазового
детектора
234
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Детектор состоит из двух формирователей последовательностей
прямоугольных импульсов с уровнями логического нуля и логической единицы из синусоидальных напряжений сигнала и
опорного колебания Ф, узла сложения по модулю два М2 и нагрузки в виде параллельно соединенных резистора Rн и конденсатора Сн.
На рис. 8.7 приведены временные диаграммы, поясняющие работу детектора.
Рис. 8.7 Временные диаграммы напряжений
и выходного тока ключевого фазового детектора
Из рисунка следует, что постоянная составляющая тока i определяется следующим соотношением
Этот ток создает падение напряжения на нагрузке
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
235
Последнее соотношение описывает детекторную характеристику ключевого детектора, график которой представлен на рис. 8.8.
uн
t
2 3
4

Рис. 8.8. Детекторная характеристика ключевого
фазового детектора
0
Детекторная характеристика представляет собой периодическую
функцию, период которой отображается равнобедренным треугольником с основанием 2 .
8.4. Выводы по теме
1. Фазовый детектор предназначен для формирования выходного сигнала, повторяющего закон изменения фазового сдвига
входного сигнала относительно опорного колебания.
2. Детекторной характеристикой фазового детектора называется зависимость приращения постоянного напряжения на нагрузке, вызванного действием входного сигнала, от фазового
сдвига между входным немодулированным сигналом и опорным
колебанием, частота которого равна частоте входного сигнала.
3. Особенностью детекторной характеристики фазового детектора является ее периодичность. Период характеристики равен 2 . Типичной детекторной характеристикой является косинусоида.
236
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
8.5. Контрольные вопросы по теме
«Детекторы угловой модуляции»
1. Для чего предназначен фазовый детектор?
2. Что такое детекторная характеристика фазового детектора?
3. В чем заключается особенность детекторной характеристики фазового детектора?
4. Приведите принципиальную схему балансного диодного
фазового детектора и ее особенности;
5. Приведите векторные диаграммы напряжений, приложенных к диодам детектора, в зависимости от частоты сигнала;
6. Приведите принципиальную схему кольцевого фазового
детектора и ее особенности;
7. Приведите функциональную схему ключевого фазового
детектора и ее особенности;
8. Приведите детекторную характеристику ключевого
фазового детектора и ее особенности;
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
237
Лекция 19
Тема 9. Частотные детекторы
9.1. Назначение, основные характеристики
частотных детекторов
Частотный детектор предназначен для получения выходного сигнала, повторяющего закон изменения частоты входного
сигнала. Частотный детектор в РПУ выполняют одну из двух
функций:
1) преобразование ЧМ сигнала в напряжение, которое изменяется во времени в соответствии с законом изменения частоты входного сигнала;
2) преобразование отклонения несущей частоты сигнала
от ее номинального значения в постоянное напряжение, величина и знак которого характеризуют величину и знак этого отклонения.
1-я функция характерна для частотных детекторов – демодуляторов ЧМ - колебаний.
2-я функция необходима для выработки сигнала ошибки
слежения в системах АПЧ. Здесь частотный детектор используется в качестве частотного дискриминатора системы АПЧ.
В принципиальном отношении требования, предъявляемые частотному демодулятору, отличаются от требований, предъявляемых к частотному дискриминатору. Это связано с формой входного сигнала: демодулятор должен реагировать на сигнал сложной формы, а дискриминатор должен вырабатывать реакцию на
несущую (синусоиду) при отклонениях ее частоты от номинальной.
Детекторной характеристикой частотного детектора называется зависимость приращения постоянного напряжения на
нагрузке, вызванного действием входного сигнала, от отклонения частоты входного сигнала от ее среднего значения.
238
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
На рис. 9.1 приведены идеальная и типичная реальная детекторные характеристики. Идеальная характеристика – прямая, проходящая через начало координат – показана пунктиром.
Δuн
0
Δf
Пр
Рис. 9.1 Реальная и идеальная детекторные
характеристики частотного детектора
Параметрами частотного детектора являются крутизна и раствор детекторной характеристики.
Крутизной называется производная детекторной характеристики, определенная в начале координат
Sчд 
d( u н )
.
d( f ) при f 0
Раствором детекторной характеристики  р называется интервал частот между двумя экстремальными точками детекторной характеристики. Требования, предъявляемые к крутизне
Sчд, раствору Пр, стабильности несущей частоты ω0 могут быть
сформулированы в общем виде:
- для данных Пр и ω0 крутизна Sчд должна быть максимальной, раствор Пр должен соответствовать тому диапазону
частотных отклонений ∆ω, которые возможны для данного РПУ.
Несущая частота ω0 должна быть достаточно стабильной.
Роль параметров частотного детектора различна в зависимости
от назначения:
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
239
- при детектировании ЧМ колебаний необходимо, чтобы ЧД
не вносил искажений в сообщение. Для этого необходима высокая линейность детекторной характеристики при большом растворе Пр, а также линейная и безинерционная передача всех составляющих компонентов сообщения.
В этом случае требования к крутизне Sчд и стабильности ω0
могут быть ослаблены: проигрыш в Sчд компенсируется дополнительным усилением в усилителе низкой частоты. Ослабление
стабильности может привести к тому, что на выходе появится
постоянная составляющая, которая может быть отфильтрована
последующими каскадами.
- при применении частотного детектора-дискриминатора
необходима высокая Sчд, высокая стабильность ω0. Иначе будет высока ошибка при измеренении частоты принимаемого
сигнала, что приведет к ухудшению параметров АПЧ.
9.2. Принципы частотного детектирования
Рассмотрим два основных принципа построения частотных детекторов. На входе детектора действует напряжение изменяющейся частоты рис.9.2 (а)
Рис.9.2 Форма напряжения на входе и выходе
частотного детектора
240
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
u ВХ  U ВХ  cosвх (t )
Например, частота сигнала изменяется по закону рис.9.2 (б) :
 вх (t)   н   max  cost ,
где  - несущая;  - девиация (изменение) частоты;
н
max
 - модулирующая частота.
Тогда на выходе ЧД имеем - рис.9.2 (в).
Спектр на выходе ЧД содержит совершенно другие частотные
составляющие, которых не было во входном сигнале.
ЧД нельзя реализовать с помощью линейных цепей с постоянными параметрами (не будет изменения спектра); нельзя реализовать с помощью нелинейных безинерционных цепей, например, диода, так как на его выходе могут быть изменения, зависящие от амплитуды, но не от фазы и частоты.
ЧД можно реализовать, используя комбинацию линейных и нелинейных безинерционных цепей.
Принцип частотного детектирования состоит в преобразовании
ЧМ колебания в линейной системе в колебании с другим видом
модуляции с последующим детектированием преобразованного
колебания безинерционной нелинейной цепью.
Общая структурная схема частотного детектора представлена на
рис.9.3, а детекторная характеристика – на рис. 9.4:
Рис.9.3 Общая структурная схема частотного детектора
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
241
Амплитудный ограничитель предназначен для устранения паразитный АМ.
Рис. 9.4. Детекторная характеристика однотактного
частотного детектора
9.2.1. Частотный детектор с использованием
преобразователя частотно-модулированного
сигнала в АЧМ сигнал
Частотный детектор может быть реализован с использованием
преобразователя ЧМ сигнала в АЧМ сигнал, модулированный
как по частоте, так и по амплитуде, и амплитудного детектора
(рис. 9.5).
Рис. 9.5 Принцип построения частотного детектора на основе
преобразования ЧМ в АЧМ
В качестве преобразователя ЧМ в АЧМ используют линейные
электрические цепи, коэффициент передачи, которых зависит от
частоты. Эта зависимость должна быть линейной или близкой к
ней.
242
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
В качестве самого простого преобразователя ЧМ в АЧМ можно
использовать одиночный колебательный контур, расстроенный
относительно средней частоты ЧМ сигнала, как это показано на
рис. 9.6.
Рис. 9.6 Колебательный контур как преобразователь
ЧМ в АЧМ
На рисунке частота сигнала изменяется во времени по синусоидальному закону с девиацией частоты f m в пределах левого
ската АЧХ колебательного контура. Из рисунка видно, что при
изменении частоты в такт с ней изменяется коэффициент передачи контура, следовательно, и амплитуда сигнала, т.е. наряду с
частотной появляется амплитудная модуляция.
9.2.2. Частный детектор с использованием
фазосдвигающей цепи
Частный детектор может быть реализован с использованием
фазосдвигающей цепи, которая вносит фазовый сдвиг, зависящий от частоты входного ЧМ сигнала, и фазового детектора
(рис. 9.7).
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
243
Рис. 9.7 Принцип построения частотного детектора
с использованием фазосдвигающей цепи
Для усилителя (резонансного) с одиночным контуром комплексный коэффициент усиления (АЧХ) и ФЧХ (рис.9.8 и 9.9):


К   p  q  S Roе
1 j
,
где
p ; q - коэффициенты включения;

y
- обобщенная расстройка;
d экв
2f - относительная расстройка;
f0
g экв 
244
y
dэкв 
q - затухание;
Rэкв
Rэкв 
1 ;
g экв
1
p 2 q 2 - проводимость
 
Roе Ri Rвхсл
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис 9.8 АЧХ усилителя (резонансного) с одиночным
контуром
ФЧХ имеет вид:
Рис.9.9 ФЧХ усилителя (резонансного) с одиночным контуром
- в некоторых пределах изменение фазы входного сигнала пропорционально изменению частоты: =f(ω). Тогда можно получить преобразование изменения фазы с помощью амплитудного
детектора (рис.9.10):
Рис. 9.10. Принципиальная схема резонансного усилителя
с одиночным контуром с частотным детектированием
с использованием амплитудного детектора
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
245
В LC контуре выделяется напряжение с частотой сигнала с.

Ток детектируемого сигнала  наводит в контуре ЭДС, которая



вызывает  К (ток контура);  К создает U на контуре, сдвиг
фазы  которого зависит от частоты сигнала (см. ФЧХ - рис.
9.9).

Одновременно ток сигнала  создает на индуктивности L2 на
пряжение U0, фаза которого совпадает с фазой
полосе частот.
Результирующее напряжение

в широкой
U   U U 0 2U 0U cos
детектируется амплитудным детектором (VD, Rн, Сн), напряжение на выходе которого Ед пропорционально U .

Так как
U
- есть функция
cos , то и
EД
- тоже является
функцией cos , а cos - в свою очередь является функцией частоты сигнала.
Таким образом, напряжение на выходе детектора является
функцией изменения частоты несущей E  f ( ) .
Д
c
9.3. Варианты построения аналоговых
частотных детекторов
9.3.1. Балансный детектор со связанными
контурами
(преобразование ЧМ в ФМ, а затем детектирование с помощью амплитудного детектора - рис.9.11).
246
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис.9.11 Принципиальная схема резонансного усилителя
со связанными контурами и с частотным детектированием
Преобразователем модуляции является цепь L1C1 и L2C2, настроенная на несущую частоту (среднюю) сред. сигнала.
а) нет модуляции:
несущая частота и частота настройки обоих контуров совпадают (fc = f0 при резонансе обоих контуров) - рис.9.12 - а.
Рис.9.12 - а
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
247

Напряжение U 1 наводит в индуктивности L1 ток  L1 , кото
0
рый отстает от напряжения U 1 на 90 . Этот ток наводит в кон
туре э.д.с.

E , опережающую ток  L1 на 900 . Э.д.с. E на
водит в контуре ток I2, совпадающий при резонансе с э.д.с.

Ток I2 создает падение напряжения U , опережающее ток
2
I2


0
E.
на 90 . Таким образом, напряжения U 1 и U 2 являются сдви0
нутыми относительно друг друга на 90 . Напряжения на диодах
U Д 1  U Д 2 ,
а выходное напряжения детектора U ВЫХ  Е Д  0 , так как


ЕД  U Д1  U Д 2  К Д
где
U Д 1  U 1  0.5U 2
U Д 2  U 1  0.5U 2 .


При наличии модуляции между напряжениями U 2 и U 1 появляется дополнительный сдвиг   F  .
 
б) частота сигнала больше резонансной частоты (fc > f0 рез.)
- рис.9.12 - б:

Напряжение U 1 наводит в индуктивности L1 ток

0
 L1 , кото-
рый отстает от напряжения U 1 на 90 . Этот ток наводит в кон
248
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис.9.12 - б

туре э.д.с.

E , опережающую ток  L1 на 900 . Э.д.с. E на
водит в контуре ток I2, который отстает от э.д.с.
так как при
fC  f0
контур имеет индуктивный характер.


Ток I 2 наводит напряжение
U 2 , опережающее ток на 900 .

Таким образом, напряжения
Так как
E на угол ,
U1

и
U 2 сдвинуты на угол >900.
U Д 1  U 1  0.5U 2
U Д 2  U 2  0.5U 2 ;
а
U Д 2  U Д 2 , то результирующее напряжение на выходе
детектора


Е Д  U Д1  U Д 2  К Д  0
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
249
в) частота сигнала меньше резонансной частоты
рис.9.12-в:
fc < f0рез -
Рис.9.12-в

Напряжение U 1 наводит в индуктивности L1 ток

 L1 , кото-
0
рый отстает от напряжения U 1 на 90 . Этот ток наводит в кон

0
туре э.д.с. E , опережающую ток  L1 на 90 .
Э.д.с.
E на-

водит в контуре ток I2, который опережает э.д.с.
так как при
E на угол ,

fC  f 0
контур имеет емкостный характер. Ток I 2

наводит напряжение
U 2 , опережающее ток на 900 .


Таким образом, напряжения U 1 и U 2 сдвинуты на угол
меньше 900,а напряжение на выходе детектора
Е
250
Д


 U Д1  U Д 2  К  0
Д
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Итоговый результат представлен на рис.9.13 в виде детекторной характеристики:
Рис.9.13 Детекторная характеристика частотного детектора как функция добротности контуров и степени связи между
ними
9.3.2. Балансный диодный частотный детектор
с взаимно расстроенными контурами
Принципиальная схема детектора приведена на рис. 9.14.
Рис. 9.14 Балансный диодный частотный детектор с
взаимно расстроенными контурами
Частотный детектор состоит из двух последовательных амплитудных детекторов, на входы которых поступают сигналы с
двух взаимно расстроенных контуров. Два взаимно расстроенных контура выполняют функцию преобразования ЧМ в АЧМ.
Из схемы видно, что
u н  u1  u 2  U1 K д U 2 K д ,
где Кд – коэффициент передачи амплитудного детектора.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
251
На рис. 9.15 приведены АЧХ контуров и детекторная характеристика частотного детектора, построенная с учетом последнего
соотношения.
U2
U1
f2
f1
f
f0
f
fc0
uн
-f0
Рис. 9.15 АЧХ колебательных контуров и детекторная
характеристика частотного детектора
Крутизна детекторной характеристики зависит от параметра
расстройки контуров
0 
2f 0
,
f c0d э
где f c0 - средняя частота ЧМ сигнала,
хание контуров,
dэ -
эквивалентное зату-
f  f c0  f1  f 2  f c0 .
При 0 
1
крутизна детекторной характеристики максималь2
на и незначительно уменьшается при увеличении параметра
расстройки до значения 2 . Дальнейшее увеличение параметра
расстройки во-первых резко уменьшает крутизну, во-вторых,
приводит к нелинейным искажениям выходного сигнала из-за
нелинейности рабочего участка детекторной характеристики.
252
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Лекция 20
9.3.3. Дробный частотный детектор
(детектор отношений)
Схема детектора приведена на рис.9.16.
Рис.9.16 Дробный частотный детектор
Детектор состоит из фазосдвигающей цепи и фазового детектора. В качестве фазосдвигающей цепи используется двухконтурный полосовой фильтр. Балансный фазовый детектор выполнен
на диодах V1 и V2. Особенностью фазового детектора является
включение резисторов R1, R2 и конденсаторов С1 и С2. Это элементы образуют мост, в одну из диагоналей которого включен
конденсатор нагрузки Сн. Из схемы видно, что параллельно резисторам включен конденсатор С. Емкость этого конденсатора
выбирается так, чтобы при быстрых изменениях амплитуды
входного сигнала детектора напряжение на конденсаторе оставалось неизменным.
Через резисторы R1 и R2 протекает один и тот же постоянный
ток. Следовательно, при R1= R2 постоянные напряжения на них
будут одинаковыми и равными Е.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
253
Согласно схеме,
u1  E  u н  0,
u2  E  uн  0
.
Из двух последних соотношений найдем напряжение на нагрузке
uн 
u1  u 2
.
2
Учитывая, что u1  u 2  2E , перепишем выражение для uн в следующем виде
u2
u1
uн  E
u .
1 2
u1
1
Из последнего соотношения видно, что выходное напряжение
зависит от отношения напряжений u1 и u2, поэтому детектор получил название детектора отношений или дробного детектора.
Из рис. 9.16 видно, что напряжение на конденсаторе нагрузки С1
амплитудного детектора, выполненного на диоде V1, равно
u1  U д1K д .
Напряжение на конденсаторе нагрузки С2 амплитудного детектора, выполненного на диоде V2, равно
u 2  U д2 K д .
В последних соотношениях
плитудных детекторов.
254
Кд
– коэффициент передачи ам-
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Подставляя
последние
соотношения
в
выражение
для
u н ,получим
uн 
U д1  U д 2
Kд .
2
Таким образом, для определения напряжения на нагрузке нужно
знать амплитуды напряжений, приложенных к диодам V1 и V2.
Из схемы рис. 9.16 видно, что
  U
  0.5U
 ,
U
д1
1
2
  U
  0.5U
 .
U
д2
1
(9.1)
2
Для того чтобы выяснить влияние частоты входного сигнала
на выходное напряжение детектора, воспользуемся векторными
диаграммами для нахождения U д1 и U д2 .
Случай 1. Частота сигнала на входе детектора равна частоте настройки контуров полосового фильтра f c  f c0 .
Начнем построение векторной диаграммы с вектора напряжения
 (рис. 9.17).
на первом колебательном контуре U
1
I
k

U
1

U
2

E
U д2

0.5U
2



E
U 1
I L
U д1
Рис.9.17 Векторная диаграмма напряжений и токов
в дробном детекторе при f c  f c0
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
255
Это напряжение создает ток через индуктивность первого кон на
тура. Вектор этого тока I L отстает от вектора напряжения U
1
90 градусов. Ток I L создает магнитный поток, вектор которого
 совпадает по направлению с вектором тока. Магнитный по
ток возбуждает ЭДС во втором колебательном контуре. Вектор
 отстает от вектора магнитного потока на 90 градуэтой ЭДС E
сов. На рисунке 9.18 показана эквивалентная схема второго колебательного контура с учетом вносимой в него ЭДС.
C
R
 E
I
k
E
L
Рис. 9.18 Эквивалентная схема второго колебательного
контура с учетом вносимой ЭДС
По отношению к ЭДС контур является последовательным. Век на последоватору ЭДС соответствует вектор напряжения  E
тельно включенных индуктивности L, сопротивлении потерь R
и емкости контура С. На частоте, равной резонансной частоте
контура, сопротивление контура носит резистивный характер,
поэтому вектор контурного тока I k совпадает по направлению с
 . Ток I создает падение напряжения
вектором напряжения  E
k
 опережает векна индуктивности контура, вектор которого U
2
тор тока на 90 градусов. С учетом взаимного расположения
 и U
 из соотношений (9.1) находим по правилу
векторов U
1
2
параллелограмма векторы напряжений, приложенных к диодам.
Из векторной диаграммы видно, что длины векторов
256
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов

 иU
U
д1
д2
одинаковы, т.е. U д1 
детектора равно нулю.
U д2 .
Значит, напряжение на нагрузке
Случай 2. Частота сигнала на входе детектора больше частоты
настройки контуров полосового фильтра f c  f c0 .
Векторная диаграмма для этого случая приведена на рис. 9.19.
 не отличается от
Начало ее построения вплоть до вектора  E
построения предыдущей векторной диаграммы.
U 1
U 2
U д 2
I
k
 E
E
 U 1
 0 .5 U 2

I
L
U д 1
Рис. 9.19 Векторная диаграмма напряжений и токов в
дробном детекторе при f c
 f c0
Поскольку частота сигнала выше резонансной частоты последовательного колебательного контура, то его сопротивление на
этой частоте носит индуктивный характер. Следовательно, век .
тор контурного тока I k отстает от вектора напряжения  E
Контурный ток создает падение напряжения на индуктивности.
 опережает вектор тока на 90 граВектор этого напряжения U
2
дусов. В соответствии с (9.1) по правилу параллелограмма нахо и U
 .
дим векторы напряжений, приложенных к диодам U
д1
д2
Из рисунка видно, что U д1  U д 2 . Следовательно, выходное напряжение детектора положительно.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
257
Случай 3. Частота сигнала на входе детектора меньше частоты
настройки контуров полосового фильтра f c  f c0 .
Векторная диаграмма для этого случая приведена на рис.9.20.

U
д2
I k

U
1

0.5U
2
 E

U
2
E


I L

U
д1

U
1
Рис. 9.20 Векторная диаграмма напряжений и токов в
дробном детекторе при f c  f c0
При построении этой диаграммы учтено, что на частоте ниже
резонансной сопротивление последовательного колебательного
контура носит емкостный характер. Следовательно, вектор тока
I опережает вектор напряжения  E
 . Ток I создает падение
k
k
 на индуктивности контура.
напряжения U
2
Напряжения
 и U

U
д1
д2
определены на основании (9.1) по
правилу параллелограмма. Из построения видно, что U д1  U д2 .
Значит, выходное напряжение детектора отрицательно.
Более подробный анализ показывает, что детекторная характеристика дробного детектора соответствует рисунку 9.15. Приближение выходного напряжения детектора к нулю при больших расстройках объясняется ограниченностью полосы пропускания полосового фильтра. За пределами полосы пропускания
258
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
фильтра напряжения на первом и втором контуре фильтра
уменьшается по мере увеличения расстройки, стремясь к нулю.
Наряду с основной функцией детектирования ЧМ сигнала детектор выполняет функцию ограничения амплитуды входного
сигнала. Это происходит за счет подключения конденсатора С
параллельно резисторам R1 и R2 (рис. 9.16).
Из-за большой постоянной времени C(R1+R2) напряжение на
конденсаторе не изменяется при быстрых изменениях амплитуды входного сигнала. Из рисунка видно, что постоянное напряжение на конденсаторе 2Е является запирающим для двух диодов, которые включены по постоянному току последовательно.
К каждому из них приложено напряжение Е. На рис. 9.21 показана линейно-ломаная аппроксимация вольтамперной характеристики V1 и временная диаграмма напряжения, приложенного
к диоду.
i
i
t
u



Uд1
Е
t
Рис. 9.21 Линейно-ломаная аппроксимация
вольтамперной характеристики V1 и временная
диаграмма напряжения, приложенного к диоду
Из рисунка видно, что при постоянном напряжении Е увеличение амплитуды переменного напряжения приводит к увеличению угла отсечки тока, а следствием увеличения угла отсечки
является уменьшение входного сопротивления последовательВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
259
ных амплитудных детекторов, входящих в состав дробного детектора. Уменьшение сопротивления влечет увеличение затухания, вносимого в контуры, что препятствует увеличению амплитуды сигнала.
В заключение рассмотрим назначение ФНЧ R п ,C п , включенного на выходе детектора. Он используется для снижения уровня
шума на выходе детектора, спектральная плотность которого
увеличивается с увеличением частоты, так как коэффициент передачи ФНЧ уменьшается с увеличением частоты выходного
сигнала детектора. Поскольку этот фильтр снижает коэффициент передачи приемного тракта на верхних частотах модуляции
на передающей стороне канала связи или вещания вводятся
предискажения – увеличение коэффициента передачи на верхних частотах модуляции, для того чтобы обеспечить равномерную сквозную АЧХ тракта «прием-передача». Поэтому данный
ФНЧ называют цепью коррекции предискажений.
9.3.4. Мультипликативный частотный детектор
Мультипликативный частотный детектор (рис.9.22) состоит из
фазосдвигающей цепи и фазового детектора. Фазосдвигающая
цепь представляет собой делитель напряжения из конденсатора
C и параллельного колебательного контура, настроенного на
частоту f 0 . Фазовый детектор выполнен на основе аналогового
перемножителя напряжений с фильтром нижних частот на выходе.
Рис. 9.22 Функциональная схема мультипликативного
частотного детектора
260
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Пусть на входах перемножителя действуют напряжения
u1  U1 cos(  t) и
u 2  U 2 cos(  t  ) .
Тогда на его выходе получим
u  Au1u 2 
1
1
AU1U 2 cos   AU1U 2 cos(2 t  ) .
2
2
В последнем соотношении первое слагаемое представляет собой
полезный продукт детектирования, а второе – побочный. Для
устранения побочного продукта детектирования используется
ФНЧ.
На выходе ФНЧ получим
u вых 
1
AU1U 2 Kфнч cos  .
2
(9.2)
Выясним зависимость фазового сдвига  от частоты входного
сигнала с помощью векторных диаграмм. При построении диаграмм примем, что входные токи перемножителя на порядок
меньше тока через конденсатор С и контур.
Случай 1. Частота сигнала равна резонансной частоте контура
f  f 0 . Начнем построение диаграммы (рис.9.23) с вектора вы-
 .
ходного напряжения U
2
I

U
1

U
2


U
с
Рис. 9.23 Векторная диаграмма напряжений и тока
мультипликативного частотного детектора при f  f 0
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
261
На частоте, равной резонансной частоте контура, сопротивление
контура носит резистивный характер , поэтому вектор тока I
совпадает по направлению с вектором напряжения
создает падение напряжения

U
c
 .
U
2
на емкости С. Вектор
Ток I
 отU
c
стает от вектора тока I на 90 градусов. Вектор напряжения
 находится как геометрическая сумма векторов U
 иU
 по
U
1
c
2
правилу параллелограмма.
Сопротивление контура и емкость конденсатора выбираются
так, чтобы U c  U 2 . Из векторной диаграммы видно, что


.
2
Значит, согласно (9.2) напряжение на выходе детектора положительно.
Случай 2. Частота сигнала больше резонансной частоты контура
f  f0 .
Векторная диаграмма для этого случая приведена на рис. 9.24.

U
1

U
с
I

U
2

Рис.9.24 Векторная диаграмма напряжений и тока
мультипликативного частотного детектора при f  f 0
Так как на частоте выше резонансной сопротивление параллельного контура носит емкостный характер, вектор тока I опережает вектор напряжения
262
 на ем . Вектор напряжения U
U
2
c
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
кости C отстает от тока на 90 градусов. Геометрическая сумма
векторов

U
2
и

U
c
дает вектор входного напряжения
Из рисунка видно, что    
 .
U
1

. Поэтому напряжение на вы2
ходе детектора положительно и больше напряжения при
f  f0 .
Случай 3. Частота сигнала меньше резонансной частоты контура
f  f0 .
Векторная диаграмма для этого случая приведена на рис. 9.25.
Так как на частоте ниже резонансной сопротивление параллельного контура носит индуктивный характер, вектор тока I отстает
 на емкости
 . Вектор напряжения U
от вектора напряжения U
c
2
C отстает от тока на 90 градусов. Геометрическая сумма векторов

U
2
и

U
c
дает вектор входного напряжения
 .
U
1
Рис.9.25 Векторная диаграмма напряжений и тока
мультипликативного частотного детектора при
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
f  f0
263
Из рисунка видно, что
 

. Поэтому напряжение на выходе
2
детектора отрицательно.
Детекторная характеристика мультипликативного частотного
детектора приведена на рис. 9.26.
Рис. 9.26 Детекторная характеристика мультипликативного
частотного детектора
Особенностью детекторной характеристики является то, что резонансная частота параллельного колебательного контура больше средней частоты ЧМ сигнала (точки перехода через нуль).
Приближение выходного напряжения детектора к нулю за пределами раствора характеристики объясняется спадом АЧХ контура при больших расстройках.
9.4. Выводы по теме
1. Частотный детектор предназначен для получения выходного сигнала, повторяющего закон изменения частоты входного
сигнала.
2. Частотный детектор в РПУ выполняют одну из двух функций:
264
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
- преобразование ЧМ сигнала в напряжение, которое изменяется во времени в соответствии с законом изменения частоты входного сигнала;
- преобразование отклонения несущей частоты сигнала от
ее номинального значения в постоянное напряжение, величина и
знак которого характеризуют величину и знак этого отклонения.
1-я функция характерна для частотных детекторов – демодуляторов ЧМ - колебаний.
2-я функция необходима для выработки сигнала ошибки
слежения в системах АПЧ. Здесь частотный детектор используется в качестве частотного дискриминатора системы АПЧ.
3. Крутизной называется производная детекторной характеристики, определенная в начале координат. Раствором детекторной характеристики  р называется интервал частот между
двумя экстремальными точками детекторной характеристики.
4. Спектр на выходе ЧД содержит совершенно другие частотные составляющие, которых не было во входном сигнале.
5. ЧД нельзя реализовать с помощью линейных цепей с постоянными параметрами (не будет изменения спектра); нельзя
реализовать с помощью нелинейных безинерционных цепей,
например, диода, так как на его выходе могут быть изменения,
зависящие от амплитуды, но не от фазы и частоты. ЧД можно
реализовать, используя комбинацию линейных и нелинейных
безинерционных цепей.
6. Принцип частотного детектирования состоит в преобразовании ЧМ колебания в линейной системе в колебании с другим
видом модуляции с последующим детектированием преобразованного колебания безинерционной нелинейной цепью.
7. В качестве самого простого преобразователя ЧМ в АЧМ
можно использовать одиночный колебательный контур, расстроенный относительно средней частоты ЧМ сигнала.
8. Частный детектор может быть реализован с использованием
фазосдвигающей цепи, которая вносит фазовый сдвиг, зависящий от частоты входного ЧМ сигнала, и фазового детектора.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
265
9.5. Контрольные вопросы по теме
«Частотные детекторы»
1. Для чего предназначен частотный детектор?
2. Какие функции выполняют частотные детекторы?
3. Что такое детекторная характеристика частотного детектора? Приведите идеальную и типичную реальную детекторные
характеристики.
4. Дайте определение крутизне и раствору детекторной характеристики.
5. Сформулируйте требования к крутизне и раствору детекторной характеристики в зависимости от назначения частотного
детектора.
6. С помощью каких цепей можно реализовать ЧД?
7. В чем заключается принцип частотного детектирования?
8. Приведите общую структурную схему частотного детектора и детекторную характеристику однотактного частотного детектора.
9. Приведите принцип построения частотного детектора на
основе преобразования ЧМ в АЧМ.
10. Приведите принцип построения частотного детектора с
использованием фазосдвигающей цепи.
11. Приведите принципиальную схему резонансного усилителя с одиночным контуром с частотным детектированием с использованием амплитудного детектора и принцип ее работы.
12. Приведите принципиальную схему резонансного усилителя со связанными контурами и с частотным детектированием
и принцип ее работы.
13. Приведите принципиальную схему балансного диодного
частотного детектора с взаимно расстроенными контурами и
принцип ее работы.
14. Приведите принципиальную схему дробного частотного детектора и принцип ее работы.
15. Приведите функциональную схему мультипликативного
частотного детектора и принцип ее работы.
266
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Лекция 21
Тема 10. Регулировки в радиоприемниках
10.1. Назначение и виды регулировок в РПУ
В процессе изготовления и эксплуатации РПУ для получения
максимального качества приема необходимы регулировки ряда
его показателей:
- частоты настройки;
- коэффициента усиления;
- полосы пропускания и др.
- селективности,
которые обеспечиваются соответствующими регуляторами.
Регулировка может быть ручной и автоматической. Ручная регулировка, как правило, применяется при изготовлении и первичной настройке исходных показателей РПУ. Автоматическая
регулировка применяется для поддержки показателей РПУ на
требуемом уровне в процессе эксплуатации. Некоторые регулировки выполняются смешанными (и ручными и автоматическими). В схемах регулирования, как правило, используются микропроцессоры. Кроме того, в ряде случаев используется дистанционное управление.
10.2. Принцип действия, классификация систем
автоматической регулировки усиления (АРУ)
Система АРУ предназначена для обеспечения малых изменений уровня сигнала на выходе додетекторного тракта приемника
при больших изменениях уровня сигнала на его входе.
Пусть
m
U вх max
Uвх min
, n
U вых max
.
U вых min
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
267
Для обеспечения правильного соотношения m и n нужно, чтобы
U вх max соответствовал минимальный коэффициент усиления
приемного тракта K min , а U вх min - K max (рис.10.1):
Рис.10.1 Зависимости усиления приемника от уровня
входного сигнала
В результате получим
U вых min
U вх min
U
 вых max
U вх max
U вых min  U вх min K max ; K max 
U вых max  U вх max K min ; K min
для простой (1), задержанной (4) и бесшумной (5) АРУ
Разделив U вых max на U вых min и обозначив p 
K max
, полуK min
чим:
n
m
;
p
p
m
n
Параметр p называется коэффициентом регулирования усиления. По характеру изменения коэффициента усиления в процессе регулировки различают регулировки:
- простая,
- задержанная,
268
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
- бесшумная.
При минимальном напряжении на входе Uвх min усиление
должно соответствовать величине Кmax для обеспечения на
выходе напряжения Uвых min, достаточного для нормального
восприятия сообщений.
Минимальное напряжение Uвых min соответствует чувствительности РПУ. При увеличении входного напряжения Uвх
коэффициент усиления К должен уменьшаться.
АРУ обеспечивает постоянство выходного напряжения Uвых,
если эти величины будут связаны соотношением
К
U вых .
U вх
Эта зависимость изображена на рис.10.1 - кривая 1. Это идеальный случай. Обычно, строгого постоянства выходного напряжения Uвых не требуется. Допускается небольшое изменение его в некоторых пределах. Максимальному напряжению на
входе Uвх max соответствует максимальное выходное напряжение Uвых max и при этом
U вых max ,
К min 
U вх max
чему соответствует кривая 2 на рис.10.1 (реальный случай).
Эта кривая проходит немного выше кривой до т.А.
Область регулирования ниже точки А небезразлична для проектирования. При входном сигнале меньше Uвх min возникают
искажения из-за шумов РПУ.
В простейшем случае закон регулирования может быть продолжением кривой 1 - по кривой 3. Такая регулировка усиления
без нарушения непрерывности закона регулирования при снижении напряжения на входе Uвх меньше Uвх min - это «простая» АРУ. Она не применяется по следующим причинам:
- при Uвх<Uвх min выходное напряжение Uвых будет
оставаться постоянным, но оно будет представлять собой смесь
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
269
напряжения сигнала Uc и напряжения помехи Uп, причем, чем
меньше Uc, тем больше будет доля Uп;
- для обеспечения увеличения коэффициента усиления К>Kmax по кривой 3 необходимо дополнительное усиление, но это привело бы к усилению шума, а при выключении
сигнала на выходе РПУ будут значительные шумы.
Для выхода из этого положения в т. А рис. 10.1 АРУ отключают. Коэффициент усиления K остается постоянным и равным
Kmax (линия 4).
Включение АРУ “задерживается” до достижения входного напряжения Uвх=Uвх min; далее идет регулировка, которая обеспечивает выходное напряжение Uвых стабильным. Это - «задержанная» АРУ”, или АРУ «с задержкой».
В процессе перестройки напряжение сигнала Uc исчезает, и на
выходе РПУ появляются шумы. Для их исключения на этот
период настройки коэффициент усиления К уменьшают по характеристике 5. Такая регулировка называется «бесшумной»
АРУ. При простой АРУ и U вх  E A увеличение коэффициента усиления сопровождается увеличением уровня шумов. Поэтому применяют задержанную АРУ, при которой при
U вх  E A регулирующее напряжение не вырабатывается и коэффициент усиления остается постоянным. Для того, чтобы отсутствовали шумы при перестройке приемника, уменьшают коэффициент усиления при U вх  E A .
Для автоматического изменения коэффициента усиления K используется специальное регулирующее напряжение, которое
зависит от уровня входного сигнала.
Рассмотрим классификацию систем АРУ.
По способу получения регулирующего напряжения.
Наиболее постой способ получения регулирующего напряжения
Uрег состоит в использовании выпрямленного напряжения сигнала Uc. Для этого может быть использован амплитудный детектор. Однако, требования к нему здесь другие, чем для условий приема АМ сигнала, когда детектор должен воспроизводить
огибающую сигнала. Если применить такой детектор для АРУ,
270
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
то цепь АРУ подавит амплитудную модуляцию принимаемого
сигнала, что, естественно, недопустимо, так как потеряется информация. Чтобы не было подавления модуляции регулирующее напряжение Uрег не должно содержать переменной составляющей.
Для этого применяются два способа:
- постоянная времени на выходе амплитудного детектора
увеличивается таким образом, чтобы напряжение на емкости Cн
оставалось равным максимальной амплитуде и обеспечивалось
большое время разряда 
; выходное напряжение отслежираз.
вает максимумы напряжения (пики), не воспроизводя огибающей (такой режим обеспечивает пиковый детектор).
- постоянная времени на выходе амплитудного детектора как у детектора для огибающей. Напряжение на выходе детектора Ед проходит через разделительный конденсатор для
дальнейшего усиления, а для АРУ используют постоянную
составляющую сигнала с выхода детектора (среднее значение),
подаваемую в цепь АРУ через ФНЧ.
10.3. Структурные электрические схемы АРУ
10.3.1.
Обратная АРУ
Рис. 10.2. Структурная схема обратной АРУ
В этой схеме регулирующее напряжение получается путем детектирования и последующей фильтрации выходного напряжеВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
271
ния регулируемого тракта. ФНЧ – фильтр АРУ - применяют для
того, чтобы избежать изменения коэффициента усиления с частотой модуляции при амплитудной модуляции и из-за изменения амплитуды сигнала под действием помех.
Достоинство обратной АРУ – простота, недостаток – невозможность обеспечения постоянства выходного напряжения, так как
регулировка осуществляется за счет этого изменения.
10.3.2.
Прямая АРУ
Рис. 10.3. Структурная схема прямой АРУ
В этой схеме регулирующее напряжение пропорционально амплитуде несущей на входе регулируемого тракта.
Достоинство – теоретическая возможность получения постоянного напряжения на выходе регулируемого тракта, недостаток –
возможность перегрузки нерегулируемого тракта и первого каскада регулируемого. В отличие от обратной АРУ в прямой АРУ
регулирующее напряжение Uрег не зависит от напряжения на
выходе Uвых, и теоретически можно было бы получить
Uвых=const. Однако:
- реализовать это можно было бы, если бы соблюдался
закон регулирования по рис.10.1, кривая 1. В реальных условиях
это выполнить невозможно, так как регулирующее напряжение
Uрег получают при использовании нелинейных элементов, их
характеристики не позволяют обеспечить закон регулирования
по кривой 1, возникают отклонения от нее, и, соответственно,
U ВЫХ  const.
272
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
- кроме того, трудности реализации прямой АРУ возникают из-за того, что напряжение на выходе К2 изменяется в
1001000 раз в диапазоне изменения входного напряжения
и для АРУ возникают перегрузки, появляются
U
U
ВХ min
ВХ max
нелинейные искажения.
Для устранения этого цепь АРУ должна иметь свою собственную цепь АРУ (внутреннюю), что усложняет РПУ. Ввиду этого
такая схема в “чистом” виде не применяется, а применяют
«смешанную» АРУ.
10.3.3. Смешанная (комбинированная) АРУ
Регулирующее напряжение Uрег1 (рис. 10.4) осуществляет
обратную регулировку усиления К1 .
Рис. 10.4. Структурная схема комбинированной АРУ
Здесь требования к качеству регулирования невысоки, т.е. допускаются сравнительно большие изменения напряжения U
(например, в несколько раз). Далее напряжение U используют
для прямой регулировки усиления К2. Так как при этом необходимо изменять усиление лишь в несколько раз, расхождение
теоретического и реального законов становятся небольшими и
U
 const , т.е. обеспечивается высокое качество регулироВЫХ
вания.
10.3.4. Режимная АРУ
Усиление каскада (АРУ) можно изменять:
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
273
- за счет изменения режима работы каскада по постоянному току,
- изменением эквивалентного сопротивления нагрузки,
- изменением коэффициентов включения p и q,
- изменением глубины отрицательной обратной связи,
- изменением параметров цепей, специально включаемых для целей регулировки.
Известно, что резонансный коэффициент усиления каскада
К  p  q S  R ,
экв
0
(здесь p и q - коэффициенты включения по входу и выходу,
соответственно).
Как видно из формулы, резонансный коэффициент усиления К0
может быть изменен любым способом:
1) Регулировка усиления изменением крутизны осуществляется за счет изменения режима усилительного элемента УЭ (отсюда - режимная регулировка). Для этого нужно изменить смещение на УЭ, что вызывает существенное изменение крутизны
усилительного элемента S в рабочей точке.
В полевом транзисторе изменяется в основном крутизна S. В
биполярном транзисторе одновременно с крутизной S изменяются и проводимости g и g .
вх
2)
вых
Регулировка усиления изменением R осуществляется
экв
подключением к контуру одного диода (рис.10.5):
Рис.10.5 Регулировка усиления изменением R
экв
274
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
При Е U диод закрыт и контур практически не шунтирурег
к
ется, Rэкв и коэффициент усиления К максимальны. При
Е U диод VD открывается и контур шунтируется. Rэкв и
рег
к
коэффициент усиления К уменьшаются.
Недостаток этого способа - изменяется не только Rэкв и коэффициент усиления К. Увеличивается полоса пропускания и
уменьшается селективность. Такая регулировка применяется
достаточно редко.
3) Регулировка усиления изменением коэффициентов включения p и q: (рис.10.6):
Рис.10.6 Регулировка усиления изменением коэффициентов
включения p и q
В качестве элементов изменения коэффициентов включения элементов Z1 и Z2 - могут быть применены или переменная
индуктивность или переменная емкость.
Недостатки - изменяется настройка контура LС, что трудно
предотвратить.
4) Регулировка усиления изменением ООС. При этом способе
ООС вводится в цепь смещения эмиттера (цепочки RэСэ). В качестве регулирующего элемента используют варикапы: с увеличением регулирующего напряжения Uрег на варикапе его
емкость уменьшается, что приводит к увеличению ООС и, соответственно, усиление К уменьшается.
5)
Регулировка усиления изменением параметров цепей,
специально включаемых для целей регулирования. При такой
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
275
регулировке АРУ используются специально включаемые элементы, например, аттенюаторы с переменным коэффициентом
передачи (рис.10.7):
Рис. 10.7 Регулировка усиления за счет аттенюатора с
переменным коэффициентом передачи
При Е
диоды VD1 и VD2 открыты. Диод VD3- зарег  U 0
крыт, контур не шунтируется, коэффициент передачи максимален. По мере увеличения регулирующего напряжения Ерег диоды VD1 и VD2 закрываются, диод VD3 открывается, что приводит к уменьшению коэффициента передачи.
10.4. Варианты схем электронных регуляторов
усиления
10.4.1. Регулятор усиления на полевом
транзисторе
На рис. 10.8 изображен резонансный усилитель на полевом
транзисторе, в цепи затвора которого имеется начальное автоматическое смещение. Оно создается за счет падения напряжения постоянного тока истока на резисторе Rи.
276
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис. 10.8. Резонансный усилитель с режимной АРУ
В эту же цепь подается через фильтр C ф АРУ , R ф АРУ отрицательное регулирующее напряжение от детектора АРУ. При увеличении абсолютного значения этого напряжения рабочая точка
смещается вниз по проходной вольтамперной характеристике на
участок с меньшей крутизной. Уменьшение крутизны приводит
к уменьшению коэффициента усиления.
Лекция 22
10.4.2. Регулятор усиления на основе
трехтранзисторного дифференциального
каскада
На рис. 10.9 приведена принципиальная схема резонансного
усилителя на основе трехтранзисторного дифференциального
каскада.
В этом усилителе регулировка усиления осуществляется за счет
перераспределения тока транзистора Т3 между транзисторами
Т1 и Т2. В цепь затвора транзистора Т1 подаются напряжение
постоянного смещения Е и регулирующее положительное напряжение uр. Положительное напряжение Е выбирается так,
чтобы при отсутствии регулирующего напряжения транзистор
Т1 был закрыт, и весь ток транзистора Т3 протекал через Т2.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
277
Рис. 10.9. Резонансный усилитель с АРУ путем
перераспределения токов
Коэффициент усиления усилителя в этом случае максимален.
При появлении положительного регулирующего напряжения
ток через Т1 увеличивается, а ток через Т2 уменьшается. В результате уменьшается коэффициент усиления.
10.4.3. Регулятор усиления изменением глубины
отрицательной обратной связи
На рисунке 10.10 приведена схема резонансного усилителя с
плавной регулировкой усиления путем изменения глубины отрицательной обратной связи.
Обратная связь создается из-за сопротивления переменному току, действующего в цепи истока.
Это сопротивление создается параллельно включенными по переменному току резистором Rи, сопротивлением диода и резистором R.
278
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис. 10.10. Резонансный усилитель с АРУ путем
изменения глубины отрицательной обратной связи
К диоду приложены положительное напряжение постоянного
смещения Е и отрицательное регулирующее напряжение uр.
При отсутствии регулирующего напряжения диод открыт, его
сопротивление минимально, коэффициент усиления усилителя
максимален. При подаче регулирующего напряжения сопротивление диода увеличивается, увеличивается глубина отрицательной обратной связи, коэффициент усиления усилителя
уменьшается.
10.4.4. Регулятор усиления на операционном
усилителе с дискретной коммутацией резисторов,
включенных в цепь обратной связи
В предыдущем варианте регулятора усиления изменением глубины отрицательной обратной связи регулировка осуществлялась плавно. На рис. 10.11 приведена функциональная схема
операционного усилителя, в котором регулировка осуществляется дискретно путем коммутации резисторов, включенных в
цепь обратной связи.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
279
Рис. 10.11 Операционный усилитель с дискретной АРУ
путем изменения глубины отрицательной обратной связи
Управление электронными ключами осуществляется двоичной кодовой комбинацией, поступающей от микропроцессорной системы управления радиоприемником.
10.4.5. Регулятор усиления на основе делителя
напряжения с регулируемым коэффициентом усиления
Наряду с регулировкой усиления усилителей радиоприемника
используются цепи, специально включенные для целей регулировки. Примером такой цепи является управляемый делитель
напряжения, схема которого приведена на рисунке 10.12.
Рис. 10.12 Делитель напряжения с регулируемым
коэффициентом усиления
В поперечное плечо Г-образного делителя включен полупроводниковый диод, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. При отсутствии регулирующего напряжения диод закрыт отрицательным напряжением смещения –Е,
280
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
коэффициент передачи делителя напряжения максимален. Положительное регулирующее напряжение уменьшает сопротивление диода, следовательно, и коэффициент передачи делителя.
10.5. Характеристика регулирования простой
обратной АРУ
Характеристикой регулирования системы АРУ называется зависимость амплитуды несущей выходного напряжения регулируемого тракта от амплитуды несущей входного напряжения.
Пусть зависимость коэффициента усиления К от регулирующего напряжения определяется следующим соотношением
K  K 0 (1  au p ) при 0  au p  1 .
При обратной АРУ
u p  U вых K Д K Ф .
Выразим U вых через U вх с учетом двух последних соотношений
Uвых  Uвх K0 (1  aU вых K Д KФ ) .
Из последнего соотношения получим
Uвых 
Uвх K0
.
1  aU вх K 0K Д KФ
Из последнего соотношения видно, что при aU вх K 0 K Д K Ф  1
амплитуда выходного напряжения стремится к постоянной величине.
Ранее приняли:
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
281
m
U ВХ max
;
U ВХ min
n
U ВЫХ max
;
U ВЫХ min
p
m
n
- параметр
(коэффициент) регулирования.
m должен быть очень большим.
Коэффициент
p
Например:
n
пусть РПУ радиовещания должен иметь
U ВХ min 1мкВ;
ближайшая РВ станция дает
U ВХ max  20 мВ
(при этом осуществляется прием без искажений из-за перегрузки).
Имеем
m
2010  3
 2 10 4 ;
110  6
Пусть допустимый уровень n составляет
U ВЫХ max
2
U ВЫХ min
Тогда
p
m
1104 .
n
Обычно в одном каскаде n 10 (иначе появляются нелинейные
искажения).
Поэтому:
- АРУ применяют в каскадах, ближе к входным, где сигналы еще сравнительно мало усилены, но при этом уменьшается селективность;
- для увеличения коэффициента связи по входу р при ограниченных коэффициентах регулирования в отдельных каскадах применяют АРУ в нескольких каскадах.
При этом
р  р1  р2 ... рn ;
282
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Кроме того, применяют не один способ, а смешанные способы
АРУ.
10.6. Регулировка полосы пропускания
В радиовещательных РПУ регулировка полосы пропускания
осуществляется, как правило, для ослабления помех и для изменения тембра звучания.
В профессиональной аппаратуре регулировка полосы пропускания осуществляется как в тракте промежуточной частоты, так и
в последетекторной части РПУ. Причем регулировка осуществляется как плавно, так и дискретно.
1) Регулировка в тракте промежуточной частоты. Основное назначение регулировки полосы пропускания здесь - ослабление помех. Простейший способ регулировки - изменением Rое. При этом (как было показано выше) изменяется как полоса пропускания, так и коэффициент усиления.
2) Регулировка в последетекторной части РПУ применяется для регулирования тембра звучания. Полоса пропускания
регулируется путем изменения АЧХ на НЧ и ВЧ.
Схема пассивного регулятора тембра на ВЧ показана на
рис.10.13
.
Рис.10.13 Пассивный регулятор тембра на ВЧ
Так как Х  1 , то
С
С
при R  0 усиление на ВЧ будет миp
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
283
нимальным , а при
R p  max усиление на ВЧ будет макси-
мальным.
Схема пассивного регулятора тембра на НЧ показана на
рис.10.14.
Рис.10.14 Пассивный регулятор тембра на НЧ
На средних и высоких частотах регулятор имеет обычную характеристику. На низких частотах коэффициент усиления увеличивается из-за увеличения реактивного сопротивления Хс и,
соответственно, меньшего шунтирования контура.
Схема активного регулятора тембра показана на рис. 10.15:
Рис.10.15 Активный регулятор тембра
284
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Это схема частотно-зависимой ООС на операционном усилителе. Для режима стерео применяют двухканальный усилитель с
электронной регулировкой АЧХ (микросхему ИС К174УН10).
Элементы С3;C4;R2;R1;R6 дают регулировку (спад, подъем)
тембра на НЧ; элементы C2;C5;R5 обеспечивают регулировку
(спад, подъем) тембра на ВЧ.
Лекция 23
10.7. Частотная автоматическая подстройка
частоты
Изменение параметров окружающей среды, особенно температуры, ведет к изменению параметров резонансных цепей (емкости конденсаторов, величины индуктивности, емкости электронных приборов и т.д.). В результате изменяется частота контура, происходит сдвиг частотных характеристик усилителя
(рис.10.16). Это – так называемая нестабильность частоты сигнала:
Рис.10.16 Сдвиг частотных характеристик из-за
изменения параметров окружающей среды
В результате возникают искажения сигнала или нарушение
приема сигнала. Ухудшается селективность, в рабочую полосу
(сдвинутую) может попасть помеха.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
285
Дестабилизирующие факторы приводят к изменению частоты
гетеродина: при этом сдвигается спектр сигнала относительно
промежуточной частоты fпром. (получится то же самое, что и
рисунок выше). Т.к. fпром << fc, то нестабильность гетеродина
сильно сказывается на общей нестабильности РПУ.
Обычно нестабильность частоты составляет
f
 103
f0
и менее, а изменение полосы пропускания при этом составляет
∆ П 102 , т.е. изменением частоты сигнала f можно пренебречь, особенно, если применить кварцевые фильтры с высокой
стабильностью.
Для компенсации дестабилизирующих факторов частоты гетеродина применяют стабилизаторы частоты с кварцевой стабилизацией (с шагом сетки 100 Гц для РПУ с дискретной настройкой).
Для РПУ с плавной настройкой для стабилизации частоты гетеродина применяют специальные схемы автоматической подстройки частоты (АПЧ).
10.7.1. Классификация устройства автоматической
подстройки частоты
Устройства АПЧ различают по признакам:
Признак 1: по типу узла в приемнике, формирующего опорную
частоту, с которой сравнивают частоту гетеродина. По этому
признаку различают:
- АПЧ по промежуточной частоте.
Промежуточная частота fпром. сравнивается с частотой, при
которой электрическая цепь приобретает характерные свойства:
частота резонанса; частота баланса мостовой цепи; и т. д.
(рис.10.17):
286
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис.10.17 Структурная схема АПЧ по промежуточной
частоте
За опорную частоту принимают частоту, при которой выходное напряжение частотного детектора (дискриминатора) равно
нулю и которая соответствует fпром.
- АПЧ по частоте гетеродина.
Частота гетеродина fг сравнивается с частотой стабильного
опорного генератора fог – рис.10.18:
Рис.10.18. Структурная схема АПЧ по частоте гетеродина
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
287
- смешанная система АПЧ (рис.10.19):
Рис.10.19. Структурная схема смешанной АПЧ
В этой схеме сравнивающее устройство и частотный детектор
настроены на промежуточную частоту.
Признак 2 устройств АПЧ: по параметрам опорного и регулируемого колебаний, сравнение которых лежит в основе АПЧ. По
этому признаку строятся системы АПЧ, где происходит:
- сравнение частот – частотная АПЧ (схемы 10.17 и 10.19),
-сравнение фаз - фазовая АПЧ (схема 10.18).
Для схем 10.17 и 10.19 с частотной автоподстройкой сравнение
частот производится в частотном дискриминаторе.
Для схем 10.18 с фазовой автоподстройкой сравнение частот
производится в фазовом детекторе. Для этих схем расхождение
по частоте (f и f-f) эквивалентно расхождению по периоду (T
и Т+Т). Расхождению по периоду, соответственно, соответствует фазовый сдвиг. Например, напряжение
u  U cos    t
можно представить как
u  U cos  ,
где    t - является фазовым параметром.
288
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Например: сдвиг на один период колебания с частотой 1 Гц
(одно колебание на секунду) соответствует сдвигу по фазе за
1с = 2.
Тогда изменению частоты на
f  0.1 Гц
сек
соответствует фазовый сдвиг
  0,1(2 )  360
и т. д.
Автоматическая подстройка частоты (АПЧ) предназначена
для предотвращения ухода частоты сигнала за пределы полосы
пропускания селективного тракта приемника.
Пусть промежуточная частота равна f P  f  f C и имеются
нестабильности частот сигнала и гетеродина:
f   f  0  f  ,
Тогда
где
f C  f C 0  f C .
fP  fP 0  f   f C ,
f P 0  f  0  f C 0 ,
а
fP  f  f C .
Отклонение промежуточной частоты (преобразованной частоты
сигнала) от ее номинального значения, а значит, от центральной
частоты полосы пропускания тракта ПЧ снижает чувствительность, селективность приемника и вызывает нелинейные искажения сигнала. Поскольку fP зависит от частоты гетеродина,
то, изменяя частоту гетеродина, можно уменьшить отклонение
промежуточной частоты от номинального значения.
Пусть f   f нач  f У ; тогда f P  f нач  f C  f У .
(здесь ∆fгу – отклонение частоты гетеродина, создаваемое управителем частоты гетеродина - см. ниже рис.10.21).
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
289
Обозначим  f ПРнач   f нач   f C - начальное отклонение
промежуточной частоты.
Тогда основное уравнение системы АПЧ можно записать в следующем виде
f Pост  f Pнач  f У -
(10.1)
остаточное отклонение промежуточной частоты.
Можно показать, что если f P  f C  f  , то уравнение системы
АПЧ запишется следующим образом
f Pост  f Pнач  f У .
(10.2)
На рис.10.20 показана структурная схема додетекторного тракта радиоприемника, охваченного частотной автоматической
подстройкой частоты (ЧАПЧ).
Преселек тор
Смеситель
УПЧ
Гетеродин
ЧД
Управи тель
ФНЧ
Рис. 10.20 Структурная схема додетекторного тракта
радиоприемника, охваченного частотной автоматической
подстройкой частоты (ЧАПЧ)
В кольцо ЧАПЧ входят частотный дискриминатор (детектор),
ФНЧ и управитель частотой гетеродина.
290
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
На рис.10.21 приведена детекторная характеристика частотного
дискриминатора.
up
Δf
Рис. 10.21 Детекторная характеристика частотного
дискриминатора
В качестве управителя в системах автоподстройки, как правило,
используются варикапы. На рисунке 10.22 приведена зависимость емкости варикапа от запирающего напряжения u. К варикапу приложены напряжение начального смещения Е и регулирующее напряжение uр.
Δfу
C
up
u
up
E
Рис. 10. 22 Зависимость емкости варикапа от запирающего
напряжения и характеристика управителя
При увеличении положительного регулирующего напряжения
относительно напряжения начального смещения увеличивается
емкость варикапа. Следствием этого является уменьшение частоты, а значит, отрицательное приращение частоты. При увеличении абсолютного значения отрицательного регулирующего
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
291
напряжения относительно напряжения смещения уменьшается
емкость варикапа, увеличивается частота гетеродина и увеличивается положительное приращение частоты гетеродина, вызванное действием управителя. Зависимость отклонения частоты
гетеродина из-за работы управителя f у от регулирующего напряжения также приведена на рисунке 10.22.
10.7.2. Характеристика регулирования системы
АПЧ
Характеристикой регулирования системы АПЧ называется зависимость остаточного отклонения частоты при замкнутом
кольце АПЧ после завершения переходных процессов от начального отклонения частоты при разомкнутом кольце АПЧ.
Сначала найдем характеристику регулирования системы
ЧАПЧ при малых начальных отклонениях частоты.
В пределах линейных участков характеристик частотного дискриминатора и управителя частотой гетеродина в установившемся режиме можно записать
f У  SУ u P  SУSчд f Pост ,
где S у и Sчд - крутизна характеристики управителя и крутизна
характеристики частотного дискриминатора, соответственно.
Подставляя последнее соотношение в (7.1), получим
f Pнач
(10.3)
1  SУSчд
Чтобы остаточное отклонение частоты было меньше начального,
нужно потребовать выполнения условия
f Pост 
S УS чд  0 .
Если частота гетеродина меньше частоты сигнала, то
292
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
f Pнач .
(10.4)
1  SУSчд
В этом случае должно выполняться неравенство
f Pост 
S УS чд  0 .
Коэффициент автоподстройки частоты
показывает, во
сколько раз остаточное отклонение частоты меньше начального.
Таким образом, коэффициент автоподстройки равен
K АПЧ  1  SуSчд .
Коэффициент автоподстройки характеризует эффективность
АПЧ.
Особенностью системы ЧАПЧ является то, остаточное отклонение частоты равно нулю только при начальном отклонении равном нулю. Во всех остальных случаях остаточное отклонение
частоты существует, но его можно сделать достаточно малым за
счет увеличения коэффициента автоподстройки.
Ниже при обозначении начального и остаточного отклонения
промежуточной частоты будем для простоты обозначений опускать индекс «ПР». Для нахождения характеристики регулирования системы ЧАПЧ при больших начальных отклонениях
воспользуемся графическим методом.
Сущность этого метода состоит в совмещении графиков детекторной характеристики и характеристики управителя (рис.
10.23).
up
Δfу
Δf
Δfост
Δfнач
Рис. 10.23 Графический метод определения остаточного отклонения частоты при заданном начальном при одной точке пересечения характеристик
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
293
При этом совпадают оси частотного отклонения f этих характеристик, а начало координат характеристики управителя соответствует значению начального отклонения f нач . В этом случае
абсцисса точки пересечения двух характеристик дает значение
остаточного отклонения f ост . Перемещение характеристики
управителя вдоль оси частотного отклонения позволяет при
другом значении начального отклонения определить остаточное
отклонение. Решение является однозначным, пока существует
только одна точка пересечения двух характеристик.
Дальнейшее перемещение характеристики управителя приводит
к ситуации, когда имеется одна точка пересечения двух характеристик (а) (рис.10.24) и одна точка касания (b). При перемещении характеристики управителя слева направо при увеличении начального отклонения для перехода из точки а в точку b
требуется скачок остаточного отклонения от значения остаточного отклонения в точке а к значению остаточного отклонения,
соответствующего точке b.
up
а
b
Δfост
Δfу
Δf
Δfнач
Рис. 10.24 Графический метод определения остаточного отклонения частоты при заданном начальном и одной точке
пересечения а характеристик и одной точке касания b
Этот скачок мог бы произойти, если бы точка а оказалась точкой неустойчивого равновесия, а точка b точкой устойчивого
равновесия. Однако из характеристик следует, что всякое увеличение остаточного отклонения по сравнению с значением в
294
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
точке а вызывает такое изменение uр, при котором происходит
возврат системы в состояние, соответствующее точке а. Последующее перемещение характеристики управителя вправо приводит к ситуации, представленной на рис. 10.25, когда появляется точка касания с и точка пересечения d.
up
c
d
Δfост
Δfу
Δf
Δfнач
Рис. 10.25 Графический метод определения остаточного отклонения частоты при заданном начальном и одной точке
пересечения d характеристик и одной точке касания c
Точка с является точкой неустойчивого равновесия, так как всякое случайное увеличение остаточного отклонения по сравнению с значением в точке c приводит к такому изменению регулирующего напряжения, при котором происходит дальнейшее
увеличение остаточного отклонения, т.е. перескок в точку d.
Из рисунка видно, что остаточное отклонение в точке d примерно равно начальному отклонению. Следовательно, система выходит из состояния автоподстройки. Этот скачок остаточного
отклонения показан на характеристике регулирования (рис.
10.25).
Удвоенное значение начального отклонения частоты, при котором система выходит из состояния автоподстройки
f уд назы-
вается полосой удержания.
Если определение остаточного отклонения графическим методом начать с больших начальных отклонений, то можно убедиться в том, остаточное отклонение будет оставаться примерно
равным начальному до появления точки касания b и точки пересечения а.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
295
Следуя описанной методике, можно показать, что из точки пересечения b осуществляется переход в точку устойчивого равновесия a, т.е. система входит в состояние равновесия (рис.
10.26).
Δfост
b
d
a
c
Δfнач
Δfз
Δ fуд
Рисунок 10.26. Характеристика регулирования системы
ЧАПЧ
Удвоенное значение начального отклонения частоты, при котором система входит в состояние автоподстройки, f з называется полосой захвата. Аналогичные процессы происходят при
отрицательных значениях начального отклонения.
Из характеристики регулирования следует:
- полоса захвата системы ЧАПЧ меньше полосы удержания,
- остаточное отклонение частоты отлично от нуля при начальном отклонении, отличном от нуля.
Характеристика регулирования строится в следующей последовательности:
1) Рассчитывается характеристика Uрег=f(fпром) для ЧД
(рис.10.27):
Рис.10.27
296
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
2) Рассчитывается или получается экспериментальная характеристика изменения частоты гетеродина от Uрег (рис.10.28):
Рис.10.28
3) По первым двум характеристикам рассчитывается и
строится характеристика f  f (f ) : (рис.10.29)
Г
ПР
Рис.10.29
4)
f ПР.нач.  f Гнач.  f C -
это изменение частоты гетеродина, которое (нужно) должна
устранить АПЧ до величины f
.
остаточ.
Величину
f ПР.ост.  f ПРнач.  f Гуправл. -
“добавляет” цепь АПЧ.
Зависимость
f
ПРнач
 f(f
ПР
)
-
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
297
без АПЧ – это прямая, проходящая под углом 450 (пунктир на
рис. 10.31).
Зависимость
f ПР.нач.  f ПРост.  f Гуправл. с АПЧ - сплошная линия (рис.10.30).
Рис.10.30
Окончательно, правильно спроектированная система
АПЧ в результате должна иметь вид (рис.10.31):
Рис.10.31
298
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Лекция 24
10.8. Фазовая автоматическая автоподстройка
частоты
10.8.1. Структурная схема додетекторного тракта
приемника с фазовой автоподстройкой частоты
(ФАПЧ). Фазовый портрет
Структурная схема додетекторного тракта приемника с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) приведена на рис. 10.32.
Отличие построения системы ФАПЧ от системы ЧАПЧ состоит в том, что вместо частотного дискриминатора в ней используется фазовый с опорным генератором, настроенным на номинальное значение промежуточной частоты.
Преселек тор
Смеситель
К детектору
сигнала
УПЧ
Гетеродин
ФД
Управи тель
Опорный
генератор
ФНЧ
Рис.10.32 Додетекторный тракт приемника с ФАПЧ
Фазовый детектор вырабатывает регулирующее напряжение,
которое зависит от фазового сдвига выходного сигнала УПЧ
относительно опорного сигнала, вырабатываемого опорным генератором
u р  U cos(  ) .
Фазовый сдвиг зависит от постоянного начального фазового
сдвига  0 и фазового сдвига, обусловленного остаточным
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
299
отклонением частоты
t
  0    ост d t .
0
В пределах линейного участка характеристики управителя отклонение частоты гетеродина, вызванное управителем, равно
 упр  2  S у u р  2  S у U cos  .
Воспользовавшись уравнением автоподстройки (7.1), получим
d
 ост 
  нач  2  Sу U cos  .
dt
Последнее соотношение позволяет построить фазовый портрет
системы ФАПЧ, т.е. зависимость первой производной мгновенной фазы
d
от ее значения  (рис. 10.33).Фазовый портрет и
dt
процесс изменения фазы подстраиваемого генератора:
Рис. 10.33. Фазовый портрет и процесс изменения фазы
подстраиваемого генератора
Стрелки на рисунке показывают, что при
фазовый
d
0
dt
угол изменяется в положительном направлении (вправо);
300
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
при
d
 0 фазовый угол изменяется в противоположном наdt
правлении. Стрелкам, направленным встречно друг к другу в
точках по оси  соответствует устойчивое состояние системы
автоподстройки; для встречно направленных стрелок – состояние неустойчивое.
Линия а) - начальная расстройка =0; фазовый сдвиг стремится к =0 , т.е. соответствует устойчивому значению (или
=2). Состояние (точка) при  =  является неустойчивым.
Линия б) - имеется начальная расстройка ; фаза  стремится к устойчивому значению   0 , где частоты    ;
г
оп.
ост тем больше, чем больше нач.
Линия в) - соответствует состоянию, когда начальная расстройка    , которую может обеспечить ФД при максинач
max
мальном регулирующем напряжении Uрег max. При этом траектория не пересекает ось абсцисс, т.е. подстройка не действует,
знак d не изменяется.
dt
Линия г) - соответствует расстройке  в другую сторону по
сравнению с линией б); процесс точно такой же, но устойчивое
положение смещается относительно 0 (или 2,4 и т.д.).
Из рисунка видно, что косинусоида с амплитудой
2  S у U , приподнятая над осью абсцисс на расстояние  нач ,
пересекает эту ось (рис.10.34).
Белые точки пересечения на рис.10.34 являются точками
устойчивого равновесия, т.к. увеличение фазы  в этой точке
приводит к росту отрицательного значения производной d  ,
dt
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
301
dφ
9.425
dt
x 
10
Δωнач
2πSуU
y
0
 3.5
0
0
5
10
15

18φ
Рис. 10.34. Фазовый портрет системы ФАПЧ
т.е. к росту скорости изменения фазы. В результате система возвращается в прежнее состояние. Случайному уменьшению фазы
соответствует положительное приращение значения производной. И в этом случае система возвращается в состояние, соответствующее данной точке. Аналогичным образом можно показать, что черные точки являются точками неустойчивого равновесия.
Наличие хотя бы одной точки устойчивого равновесия означает,
d
что в установившемся режиме
  нач  0 .
dt
Следовательно, пока имеет место пересечение кривой оси абсцисс, остаточное отклонение равно нулю при заданном начальном отклонении. Условием наличия точек пересечения является
 нач  2  Sу U .
10.8.2. Характеристика регулирования системы
ФАПЧ
Характеристика регулирования системы ФАПЧ представлена
на рис. 10.35.
Система выходит из состояния автоподстройки при
 нач  2  Sу U ,
302
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Δωост
Δωз
Δωнач
Δωуд
Рис. 10.35. Характеристика регулирования системы
ФАПЧ
следовательно,
уд  2  Sу U .
При наличии ФНЧ для вхождения системы в состояние автоподстройки необходимо, чтобы начальное отклонение было
меньше граничной частоты полосы пропускания фильтра, поэтому полоса захвата системы меньше полосы удержания.
10.9. Выводы по теме
1. Система АРУ предназначена для обеспечения малых изменений уровня сигнала на выходе додетекторного тракта приемника при больших изменениях уровня сигнала на его входе.
2. При минимальном напряжении на входе Uвх min усиление должно соответствовать величине Кmax для обеспечения
на выходе напряжения Uвых min, достаточного для нормального
восприятия сообщений. Минимальное напряжение Uвых min
соответствует чувствительности РПУ.
3. По характеру изменения коэффициента усиления в процессе регулировки различают регулировки:
- простая,
- задержанная,
- бесшумная.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
303
4. Наиболее постой способ получения регулирующего напряжения Uрег состоит в использовании выпрямленного напряжения сигнала Uc. Для этого может быть использован амплитудный детектор.
5. Чтобы не было подавления модуляции регулирующее напряжение Uрег не должно содержать переменной составляющей. Для этого применяются способы:
- постоянная времени на выходе амплитудного детектора увеличивается таким образом, чтобы напряжение на емкости Cн
оставалось равным максимальной амплитуде и обеспечивалось
большое время разряда 
;
раз.
- выходное напряжение отслеживает максимумы напряжения (пики), не воспроизводя огибающей (такой режим обеспечивает пиковый детектор).
- постоянная времени на выходе амплитудного детектора
остается как у детектора для огибающей. Напряжение на выходе детектора Ед проходит через разделительный конденсатор
для дальнейшего усиления, а для АРУ используют постоянную
составляющую сигнала с выхода детектора (среднее значение),
подаваемую в цепь АРУ через ФНЧ.
6. В схеме обратной АРУ регулирующее напряжение получается
путем детектирования и последующей фильтрации выходного
напряжения регулируемого тракта. Достоинство обратной АРУ
– простота, недостаток – невозможность обеспечения постоянства выходного напряжения, так как регулировка осуществляется за счет этого изменения.
7. В схеме прямой АРУ регулирующее напряжение пропорционально амплитуде несущей на входе регулируемого тракта.
Достоинство – теоретическая возможность получения постоянного напряжения на выходе регулируемого тракта, недостаток –
возможность перегрузки нерегулируемого тракта и первого каскада регулируемого.
8. В схеме смешанной АРУ первый регулятор осуществляет обратную регулировку для первого каскада усиления. Второй регулятор используют для прямой регулировки усиления другого
304
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
каскада. При этом обеспечивается высокое качество регулирования.
9. Усиление каскада (АРУ) можно изменять:
- за счет изменения режима работы каскада по постоянному току;
- изменением эквивалентного сопротивления нагрузки;
изменением коэффициентов включения p и q;
- изменением глубины отрицательной обратной связи;
- изменением параметров цепей, специально включаемых
для целей регулировки.
10. Характеристикой регулирования системы АРУ называется
зависимость амплитуды несущей выходного напряжения регулируемого тракта от амплитуды несущей входного напряжения.
11. Для устранения нелинейных искажений при применении
АРУ:
- АРУ применяют в каскадах, ближе к входным, где сигналы еще сравнительно мало усилены, но при этом уменьшается селективность;
- для увеличения коэффициента связи по входу при ограниченных коэффициентах регулирования в отдельных каскадах
применяют АРУ в нескольких каскадах.
- применяют не один способ, а смешанные способы АРУ.
12. Для компенсации дестабилизирующих факторов частоты
гетеродина применяют стабилизаторы частоты с кварцевой стабилизацией (с шагом сетки 100 Гц для РПУ с дискретной настройкой). Для РПУ с плавной настройкой для стабилизации
частоты гетеродина применяют специальные схемы автоматической подстройки частоты (АПЧ).
13. Устройства АПЧ различают по следующим признакам.
Признак 1: по типу узла в приемнике, формирующего опорную
частоту, с которой сравнивают частоту гетеродина. По этому
признаку различают:
- АПЧ по промежуточной частоте;
- АПЧ по частоте гетеродина.
Признак 2 устройств АПЧ: по параметрам опорного и регулируемого колебаний, сравнение которых лежит в основе АПЧ. По
этому признаку строятся системы АПЧ, где происходит:
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
305
- сравнение частот;
-сравнение фаз.
14. Характеристикой регулирования системы АПЧ называется
зависимость остаточного отклонения частоты при замкнутом
кольце АПЧ после завершения переходных процессов от начального отклонения частоты при разомкнутом кольце АПЧ.
15. Коэффициент автоподстройки частоты показывает, во
сколько раз остаточное отклонение частоты меньше начального.
Коэффициент автоподстройки характеризует эффективность
АПЧ.
16. Особенностью системы ЧАПЧ является то, остаточное отклонение частоты равно нулю только при начальном отклонении равном нулю. Во всех остальных случаях остаточное отклонение частоты существует, но его можно сделать достаточно
малым за счет увеличения коэффициента автоподстройки.
17. Удвоенное значение начального отклонения частоты, при
котором система выходит из состояния автоподстройки называется полосой удержания. Удвоенное значение начального отклонения частоты, при котором система входит в состояние автоподстройки, называется полосой захвата.
18. Отличие построения системы ФАПЧ от системы ЧАПЧ состоит в том, что вместо частотного дискриминатора в ней используется фазовый с опорным генератором, настроенным на
номинальное значение промежуточной частоты.
19. Фазовый детектор вырабатывает регулирующее напряжение,
которое зависит от фазового сдвига выходного сигнала УПЧ
относительно опорного сигнала, вырабатываемого опорным генератором.
20. При наличии ФНЧ для вхождения системы ФАПЧ в состояние автоподстройки необходимо, чтобы начальное отклонение
было меньше граничной частоты полосы пропускания фильтра,
поэтому полоса захвата системы меньше полосы удержания.
306
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
10.10. Контрольные вопросы по теме «Регулировки
в радиоприемниках»
1. Определите назначение и виды регулировок в РПУ.
2. Для чего предназначена система АРУ?
3. Приведите требуемые зависимости (графически) усиления
приемника от уровня входного сигнала.
4. Какие регулировки различают по характеру изменения коэффициента усиления в процессе регулировки? Приведите их
особенности.
5. Какие два способа применяют для получения регулирующего напряжения при использовании амплитудный детектора?
6. Приведите структурную схему обратной АРУ и принцип ее
работы.
7. Приведите структурную схему прямой АРУ и принцип ее
работы.
8. Приведите структурную схему комбинированной АРУ и
принцип ее работы.
9. Перечислите основные методы режимной АРУ и дайте им
краткие характеристики.
10. Приведите схему резонансного усилителя с режимной
АРУ и принцип ее работы.
11. Приведите схему резонансного усилителя с АРУ путем
перераспределения токов и принцип ее работы.
12. Приведите схему резонансного усилителя с АРУ путем
изменения глубины отрицательной обратной связи и принцип
ее работы.
13. Приведите схему операционного усилителя с дискретной
АРУ путем изменения глубины отрицательной обратной связи и
принцип ее работы.
14. Приведите схему делителя напряжения с регулируемым
коэффициентом усиления и принцип ее работы.
15. Приведите характеристику (формулу) регулирования простой обратной АРУ. Что такое параметр (коэффициент) регулирования?
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
307
16. Приведите схемы регулировки полосы пропускания РПУ
в последетекторном тракте - пассивного и активного регуляторов тембра (на ВЧ и НЧ) и принцип их работы.
17. Приведите структурную схему АПЧ по промежуточной
частоте и принцип ее работы.
18. Приведите структурную схему АПЧ по частоте гетеродина и принцип ее работы.
19. Приведите структурную схему смешанной АПЧ и принцип ее работы.
20. Приведите основное уравнение системы АПЧ и дайте пояснения его составляющим.
21. Приведите структурную схему додетекторного тракта
радиоприемника, охваченного частотной автоматической подстройкой частоты (ЧАПЧ) и принцип ее работы.
22. Приведите зависимость емкости варикапа от запирающего напряжения и характеристику управителя частотой.
23. Что называется характеристикой регулирования системы
АПЧ ?
24. Дайте определение коэффициенту автоподстройки частоты.
25. Приведите графический метод определения остаточного
отклонения частоты при заданном начальном при одной точке
пересечения характеристик.
26. Приведите графический метод определения остаточного
отклонения частоты при заданном начальном и одной точке пересечения а характеристик и одной точке касания b.
27. Приведите результирующую характеристику регулирования системы ЧАПЧ.
28. Приведите последовательность построения характеристики регулирования системы ЧАПЧ.
29. Приведите структурную схему додетекторного тракта
приемника с ФАПЧ и принцип ее работы.
30. В чем состоит основное отличие построения системы
ФАПЧ от системы ЧАПЧ?
31. Покажите порядок построения фазового портрета системы ФАПЧ и процесс изменения фазы подстраиваемого генератора.
308
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
32. Приведите результирующий фазовый портрет системы
ФАПЧ.
33. Приведите результирующую характеристику регулирования системы ФАПЧ.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
309
Лекция 25
Тема 11. Радиоприем непрерывных сигналов
11.1. Область применения и виды приемников
Радиоприемник АМ-сигналов с двумя боковыми полосами
применяется в основном для приема радиовещания в диапазонах
ДВ, СВ и КВ. В системах связи – в основном применяется АМ
телефония с ОБП.
Радиоприемник ЧМ сигналов используется в УКВ диапазоне для
приема звукового и телевизионного вещания и для организации
связи в системах наземной, космической, спутниковой, радиорелейной и тропосферной связи.
В соответствии с назначением систем связи различаются и виды
радиоприемных устройств.
1) Супергетеродинный одноканальный радиоприемник с детектором амплитудной или частотной модуляции. Принцип его
работы представлен на рис.11.1 и 11.2:
Рис. 11.1 Вид сигнала на входе РПУ и выходе преобразователя.
310
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис.11.2. Частотная характеристика смесителя-преобразователя.
2) Радиорелейные, радиотелеметрические, телевизионные
РПУ - это многоканальные РПУ. В них проходящий сигнал модулируется дважды: сначала модулируется поднесущая (АМ), а
затем ею модулируют несущую частоту (ЧМ).
Структурная схема РПУ двухкратномодулированного сигнала изображена на рис.11.3:
Рис. 11.3
На приемной стороне происходит обратный процесс – сначала ЧМ преобразуется в АМ колебание, а затем происходит
АМ детектирование (рис.11.4):
Рис. 11.4
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
311
Вместо поднесущей может использоваться последовательность
видеоимпульсов. В этом случае трактом поднесущей будет
тракт видеоимпульсов и их детектор3. Структурные схемы многоканального РПУ с частотным разделением каналов (АМ-АМ)
– рис.11.5:
Рис. 11.5
Сначала модулируются n каналов (каждый своим сообщением). Сумма fпн1+fпн2+..+fпнn
образует групповой сигнал(спектр) поднесущей - рис.11.6:
Рис. 11.6 Групповой спектр поднесущей
Этим групповым сигналом модулируют несущую, передаваемый спектр которой показан на рис.11.7:
Рис. 11.7
312
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Этот спектр действует как на входе РПУ, так и на выходе радиотракта (на входе детектора несущей). На выходе детектора несущей получим снова спектр по рис. 11.6. Далее – фильтр каждой поднесущей выделяет, а затем после усиления детектор каждой поднесущей выделяет информацию по каждому каналу.
Такой вид многоканальной связи осуществляют на радиорелейных линиях связи, где велико число каналов. Поднесущие могут
использоваться для передачи дополнительной информации. Например, в телевизионном РПУ групповой спектр (модулирующий) содержит канал изображения и канал звука (рис.11.8):
Рис. 11.8
Каналы изображения и звука в РПУ после усиления разделяются фильтрами и далее обрабатываются (рис.11.9):
Рис. 11.9
4) Структурная схема многоканального РПУ с временным
разделением каналов (ВРК) - рис.11.10:
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
313
Рис. 11.10
В каждом канале осуществляется импульсная модуляция последовательности видеоимпульсов по амплитуде (АИМ), или по
длительности (ШИМ) и т.д. Модулированные последовательности каждого канала сдвинуты друг относительно друга или по
времени, или по какому-либо закону. Сумма модулированных
последовательностей в РПДУ модулирует несущую частоту
fнесущ. На входе РПУ может быть: АИМ-АМ, АИМ-ЧМ,
ШИМ-ЧМ и т.д. После детектора получают снова групповой
сигнал, и сигналы синхроимпульсов, характеризующих способ
разделения групп. С помощью селектора синхроимпульсов
(ССИ) происходит разделение каналов: каждый селекторный
импульс открывает усилитель "своего" канала.
11.2. Радиоприем сигналов амплитудной модуляции
11.2.1. Прохождение АМ сигнала через частотноизбирательную систему радиоприемника. Влияние
АЧХ и ФЧХ на искажения сигнала
Пусть на входе селективного тракта приемника действует сигнал
U вх  U 0 (1  m cos(t )) cos( 0t ) 
1
1
 U 0 cos( 0t )  mU 0 cos((0  )t )  mU 0 cos(( 0  )t )
2
2
314
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
где Uo - амплитуда несущей, m - коэффициент глубины модуляции,  - частота модуляции,  0 - частота несущей.
Определим сигнал на выходе тракта.
Случай 1. АЧХ и ФЧХ тракта симметричны относительно
частоты несущей (рис. 11.11):
Рис.11.11. АЧХ и ФЧХ селективного тракта и спектр АМ
сигнала при совпадении частоты несущей со средней частотой
полосы пропускания.
Обозначим
K 0  K ( 0 ) ;
K  K ( 0   )  K ( 0   ) ;
 (0  )  0
 0   ( 0  )
Тогда на выходе тракта получим:
1
1
u (t )  U 0 K 0 cos(0t )  mU 0 K cos((0  )t  0 )  mU 0 K cos(0  )t  0 ) 
2
2
1
1
 U 0 K 0 cos(0t )  mU 0 K cos(t  0 ) cos(0t )  mU 0 K sin(t  0 ) sin(0t ) 
2
2
1
1
 mU 0 K cos(t  0 ) cos(0t )  mU 0 K sin(t  0 ) sin(0t ) 
2
2
K
 U 0 K 0 (1  m cos(t  0 )) cos(0t )
K0
(11.1)
На выходе амплитудного детектора получим низкочастотное
напряжение
ud (t )  mU 0 K cos(t  0 )
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
(11.2)
315
Из соотношения (11.1) следует, что коэффициент глубины модуляции выходного сигнала тракта отличается от коэффициента модуляции сигнала на его входе. При АЧХ, представленной
на рис.11.11, коэффициент глубины модуляции выходного сигнала меньше коэффициента глубины модуляции на входе. Выходной сигнал имеет синусоидальную форму. При этом виде
модуляции возникают линейные (частотные) искажения. Это
объясняется тем, что боковые составляющие спектра сигнала
усиливаются меньше, чем составляющая несущей частоты.
Причем, чем выше Ω, тем больше отличается Uвых от Uвх. С
уменьшением Uвых уменьшается и Uвых.д., т.е. имеют место
частотные искажения (зависят от Ω). Кроме того, появился фа-
 0 , зависящий от Ω; напряжение на выходе детектора тоже зависит от  0 , т.е. имеют место фазовые искажения,
зовый сдвиг
особенно опасные при приеме телевизионных сигналов.
При АЧХ с провалом на частоте несущей (рис. 11.12) возможно
увеличение коэффициента глубины модуляции вплоть до перемодуляции.
Рис. 11.12. АЧХ селективного тракта с провалом на
центральной частоте полосы пропускания.
Перемодуляция приводит к нелинейным искажениям сигнала на
выходе детектора.
Согласно (11.2) амплитуда выходного сигнала детектора прямо
пропорциональна коэффициенту передачи селективного тракта
К, который зависит от частоты, поэтому неравномерность АЧХ
этого тракта приводит к частотным искажениям сигнала на выходе детектора.
316
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Из (11.2) видно, что фазовый сдвиг, вносимый селективным
трактом приемника, приводит к фазовому сдвигу низкочастотного сигнала на выходе детектора. При линейной ФЧХ
(   t0 ) наличие фазового сдвига приводит к задержке сигнала на выходе детектора на время t 0 , одинаковое для всех частотных составляющих спектра этого сигнала. При нелинейной
ФЧХ временная задержка для составляющих спектра разных
частот будет неодинаковой, что приводит к искажениям сигнала.
Случай 2. На рисунке 11.13 показана АЧХ, асимметричная
относительно частоты несущей, на рисунке 11.14 – векторная
диаграмма.
Рис. 11.13. АЧХ асимметрична относительно частоты
несущей.
Рис. 11.14. Векторная диаграмма сигнала на выходе селективного тракта с АЧХ рисунка 11.15
Из рисунка 11.14 видно, что вектор выходного сигнала тракта
равен сумме вектора несущей U 0 и вектора одной боковой
0.5mU 0 . Вектор боковой вращается относительно вектора неВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
317
сущей с частотой  . При этом изменяется длина вектора результирующего колебания U. Так как дуга АСВ больше дуги
АDВ, то временной интервал, в течение которого длина вектора
U 0 , больше, чем временной интервал, в течение которого U< U 0 . Из-за этого возникают
U превышает длину вектора несущей
нелинейные искажения выходного сигнала детектора - одна боковая усиливается больше другой.
11.2.2. Взаимодействие сигнала и синусоидальной помехи при детектировании
Пусть на входе амплитудного детектора действуют сигнал и
помеха:
u c  U c cos( 0 t ) ; u П  U П cos( П t )
На рис. 11.15 приведена векторная диаграмма, позволяющая определить амплитуду результирующего колебания U(t), которая
изменяется во времени из-за вращения вектора помехи относительно вектора сигнала с частотой биений  Б   С   П .
Рис.11.15. Векторная диаграмма сигнала
и синусоидальной помехи
Амплитуда результирующего колебания определяется следующим соотношением
U (t )  U C2  U П2  2U СU П cos( Б t ) .
При U П  U С ,
U (t )  U C  U П cos(  Б t )
При U С  U C 0 (1  m cos( C t )) ;
318
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
U (t )  U C 0  mU C 0 cos( C t )  U П cos( Б t )
1  m2
, т.е. детектор инерm
ционен по отношению к  Б ; следовательно, Сн не успевает
разряжаться, т.е. сохраняет Uвых почти неизменным (рис.
11.16):
а) Если для детектора
 Б RН СН 
Рис. 11.16
Таким образом, на выходе детектор воспроизводит помеху и
сигнал без изменения их соотношения. Поскольку напряжение
на нагрузке детектора прямо пропорционально U(t), то на выходе детектора будут действовать напряжение сигнала с частотой
 С и амплитудой U СВЫХ  K Д mU C и напряжение помехи с
частотой Б и амплитудой K Д U П , где
K Д - коэффициент пе-
редачи детектора. При этом отношение сигнал/помеха на выходе определяется соотношением
U СВЫХ mU C 0

U ПВЫХ
UП
Таким образом, при стопроцентной модуляции (m=1) отношение сигнал/помеха на выходе детектора равно отношению сигнал/помеха на входе.
2
б) Если для детектора  Б RН С Н  1 m , т.е. детектор
m
безинерционен для самой верхней частоты Б , то
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
319
2
U ПВЫХ 1  U П 0  mП

 
U СВЫХ 2  U C 0  mС
При этом АД обладает свойствами селективности.
Если Uсо>Uпо в 10 раз, то при m П  mC помеха на выходе слабее сигнала в 200 раз.
Инерционность детектора сказывается обычно на высоких частотах  Б , т.е. при значительной расстройке частоты помехи по
отношению к частоте сигнала. Но при этом помеха ослабляется
до детектора. Селективность детектора наблюдается в условиях
близости помехи и сигнала, когда селективность РПУ недостаточна. В этом заключается положительная роль свойств детектора.
Лекция 26
11.2.3. Взаимодействие сигнала и шума в амплитудном
детекторе
На рисунке 11.17 показан спектр синусоидального сигнала с
амплитудой Uc и шума с постоянной спектральной плотностью
в полосе пропускания П селективного тракта приемника.
Рис.11.17. Спектр синусоидального сигнала и шума в
полосе пропускания селективного тракта приемника
Выделим участок спектра шума шириной dFБ на расстоянии
FБ от несущей. Этому бесконечно узкому участку спектра соответствует синусоидальное колебание, которое создает биения
320
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
с синусоидальным сигналом. Амплитуда напряжения с частотой
биений на нагрузке детектора равна
U Б  K ДU П
Следовательно, мощность этой помехи определяется соотношением
PБ  K Д2 PП
Это означает, что приращение мощности шума на выходе детектора из-за входной шумовой мощности в полосе dFБ определяется соотношением
dPШВЫХ  K Д2
PШ
dFБ
П
Полная шумовая мощность на выходе определяется соотношением
F max
PШВЫХ 
K Д2

 F max
PШ
P
dFБ K Д2 Ш 2Fmax
П
П
где Fmax - максимальная частота модуляции. Поскольку при АМ
П  2Fmax ,
2
то PШВЫХ  K Д PШ .
Эффективное напряжение шума на выходе связано с эффективным напряжением шума на входе соотношением.
U ШВЫХ  K Д U Ш
При синусоидальном законе модуляции напряжение сигнала на
выходе детектора равно
U CВЫХ  K Д mU С 0
Таким образом, отношение сигнал/помеха на выходе равно
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
321
U СВЫХ
U
 m C0
U ШВЫХ
UШ
При стопроцентной модуляции отношение сигнал/шум на выходе равно отношению сигнал/шум на входе.
11.2.4. Радиоприем однополосных сигналов
Передача АМ–сигналов имеет два недостатка: низкая эффективность использования мощности РПДУ и достаточно широкую полосу частот модулированного колебания. Мощность боковых полос спектра АМ колебания составляет максимум 1/8 от
максимума мощности РПДУ, а ширина спектра этого колебания
в два раза больше ширины спектра исходного сигнала.
Для РПУ недостатком является широкая полоса сигнала, и, следовательно, ухудшение селективности, увеличение влияния
помех.
При ОБП модуляции передается только одна боковая и исключается из спектра несущая частота, что позволяет увеличить
использование мощности РПДУ - мощность боковой при этом
равна полной мощности РПДУ. Выигрыш по пиковой мощности
составляет 4 раза; кроме того полоса передаваемых частот сокращается в 2 раза. Однополосная связь используется в КВ–
диапазоне; в подвижных радиосистемах низовой радиосвязи; в
магистральной радиосвязи; при дальней передачи программ радиовещания.
Преимуществами однополосной передачи являются:
1. Сужение спектра в 2 раза, что увеличивает пропускную
способность канала связи.
2. Более эффективное использование мощности передатчика.
3. Повышение устойчивости к селективным замираниям несущей сигнала, т.к. она отсутствует.
Сущность однополосной модуляции состоит в переносе спектра модулирующего сигнала, спектр которого находится в об322
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
ласти частот от Fmin до Fmax, или в область частот
f C  Fmin .. f C  Fmax (верхняя боковая), или в область частот
f C  Fmin .. f C  Fmax (нижняя боковая), где fc – частота подавленной или ослабленной несущей.
В приемнике осуществляется обратный процесс. Сказанное иллюстрируется рисунком 11.18:
Рис. 11.18. Спектральные диаграммы модулирующего
сигнала и сигнала однополосной модуляции
(верхняя боковая)
Радиоприемное устройство для приема однополосных сигналов состоит из главного тракта приема и демодулятора сигнала
ОБП (рис. 11.19):
Рис. 11.19. Укрупненная структурная схема
радиоприемника
Структурная схема демодулятора однополосного сигнала приведена на рисунке 11.20. Принцип работы демодулятора основан на переносе спектра однополосного сигнала в область частот модуляции Fmin - Fmax. Эту операцию выполняет преобразователь частоты, у которого частота гетеродина равна частоте
несущей. В демодуляторе этот гетеродин называют генератором
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
323
восстановленной несущей (ГН). Этот генератор включен в кольцо ФАПЧ.
Подстройка частоты генератора осуществляется по остатку несущей (ОН), который выделяется узкополосным фильтром остатка несущей. Остаток несущей также используется для АРУ.
Рис. 11.20. Структурная схема демодулятора сигнала ОБП
11.3. Радиоприем ЧМ сигналов
11.3.1. Прохождение ЧМ сигнала через селективный
тракт приемника
Пусть на входе селективного тракта действует ЧМ сигнал с
постоянной амплитудой и мгновенной фазой, изменяющейся по
синусоидальному закону
U ВХ  U ВХ cos(0t  sin(t )) ,
где  0 - средняя частота ЧМ сигнала,  - индекс частотной модуляции,  - частота модуляции, max - девиация частоты;
max

  2F .
- индекс ЧМ;

Мгновенная частота этого сигнала равна
324
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов

dC
 0   cos(t )  0  m cos(t )
dt
(11.5)
где  m    - максимальное отклонение частоты от ее среднего значения (девиация).
Ширина спектра ЧМ–сигнала может быть рассчитана по приближенной формуле:
2fЧМ  2 Fmax (1  
)
где Fmax – максимальная модулирующая частота.
При  f max  Fmax модуляция называется широкополосной;
Для широкополосной модуляции считают ширину спектра равной  2 f max .
при f max  Fmax – это узкополосная модуляция.
Для узкополосной модуляции ширина спектра  2Fmax .
Узкополосная модуляция применяется в служебной и низовой
радиосвязи; широкополосная - при высококачественном радиовещании и для сопровождения звуковых телевизионных передач.
Основное преимущество ЧМ перед АМ - более высокая помехоустойчивость.
Разделив обе части выражения (11.5) на 2 , получим
f  f 0  f m cos(t )
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
325
Рис. 11.21. АЧХ и ФЧХ селективного тракта приемника и
временные зависимости коэффициента передачи,
фазового сдвига, вносимого трактом
Из рисунка 11.21 видно, что при изменении отклонения частоты
по косинусоидальному закону из-за неидеальности АЧХ селективного тракта его коэффициент передачи изменяется во времени с удвоенной частотой модуляции
K (t )  K 0  K 2 cos(2t )
В результате на выходе селективного тракта действует сигнал,
модулированный не только по частоте, но и по амплитуде. Это
приводит к нелинейным искажениям сигнала на выходе частотного детектора. Для их устранения необходимо использовать
амплитудный ограничитель перед частотным детектором.
Из-за нелинейности ФЧХ вносимый селективным трактом фазовый сдвиг изменяется по закону, отличному от косинусоидального
 (t )  1 cos( t )   3 cos(3t )
Этот фазовый сдвиг приводит к приращению отклонения частоты ЧМ сигнала, которое равно
326
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
 (t ) 
d (t )
 1 sin(t )  33 sin(3t ) .
dt
Таким образом, из-за нелинейности ФЧХ появляется третья
гармоника отклонения частоты ЧМ сигнала от среднего значения, что приводит к нелинейным искажениям сигнала на выходе
частотного детектора. Борьба с ними осуществляется путем
линеаризации ФЧХ радиотракта за счет расширения полосы
пропускания.
11.3.2. Нелинейные искажения сигнала в частотном
детекторе
Нелинейность детекторной характеристики (рисунок 11.22)
является причиной возникновения нелинейных искажений выходного сигнала детектора.
Рис. 11.22. Детекторная характеристика частотного
детектора
В пределах раствора детекторной характеристики коэффициенты второй и третьей гармоник выходного сигнала детектора определяются следующими соотношениями
'
kГ 2
U
1 SЧД
 2 
f m ;
U  4 SЧД
kГ 3 
''
U 3
1 SЧД

f m2
U
24 SЧД
где S ЧД - крутизна частотного детектора,
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
327
'
''
SЧД
и SЧД
- ее первая и вторая производные,
f m - девиация частоты.
Из приведенных соотношений видно, что с увеличением девиации частоты нелинейные искажения выходного сигнала увеличиваются.
11.3.3. Действие синусоидальной помехи на приемник
частотной модуляции
На рисунке 11.23 показаны вектор немодулированного сигнала
UC ,
вектор помехи
UП ,
вращающийся относительно вектора
сигнала с частотой    С   П и вектор результирующего колебания U .
Рис. 11.23. Векторная диаграмма сигнала
и синусоидальной помехи
Вектор U качается относительно вектора U C . Конец этого
вектора перемещается по окружности. Фазовый сдвиг вектора
результирующего колебания относительно вектора сигнала является функцией времени  (t ) .
Максимальное по абсолютной величине значение этого фазового сдвига получается в точках А и В касания вектора U окружности.
328
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Из рисунка следует, что изменяющийся во времени фазовый
сдвиг равен
 (t )  arctg
U П sin(  Б t )
U C  U П cos( Б t )
Отклонение частоты сигнала, вызванное действием помехи
равно
U
cos( t )  П
U
UС
d (t )
 П 
 П
2
dt
UС
U 
U
1  2 П cos( t )   П 
UС
 UС 
При U П  U C изменение частоты сигнала, вызванное действием синусоидальной помехи, равно
 П (t ) 
d (t ) U П

 Б cos( Б t ) .
dt
UC
Максимальное отклонение частоты сигнала, вызванное помехой, равно
UП
Б
UC
Разделив левую и правую часть последнего равенства на 2л, получим
 Пm 
UП
FБ
UC
Амплитуда помехи на выходе частотного детектора равна
f Пm 
U Пвых  SЧД f Пm  SЧД
UП
FБ
UС
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
329
При модуляции сигнала амплитуда напряжения сигнала на выходе частотного детектора равна
U Cвых  SЧД f Cm
Отношение помеха /сигнал на выходе частотного детектора равно
U Пвых U П FБ

U Cвых U С f Cm
На рис. 11.24 показана зависимость этого отношения от частоты
биений.
Рис. 11.24. Зависимость отношения помеха/сигнал на
выходе частотного детектора от частоты биений
Из рисунка видно, что отношение помеха / сигнал увеличивается при увеличении частоты биений. Однако при частоте биений,
превышающей максимальную частоту модуляции Fmax, помеху
можно ослабить с помощью ФНЧ.
Поэтому максимальная величина этого отношения равна
 U Пвых

 U Cвых
330

U F
U 1

 П max  П
 max U С f Cm U С 
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Таким образом, минимальное отношение сигнал/помеха на выходе ЧД в  раз больше, чем на его входе, т.е. имеет место
выигрыш в отношении сигнал/помеха.
При синусоидальном сигнале и синусоидальной помехе, частота которой отличается от частоты сигнала на величину  Б , и
отношении помеха/сигнал на входе частотного детектора U П  1
UС
напряжение u на выходе детектора, пропорциональное  П
(8.6), изменяется во времени по закону, близкому к синусоидальному.
При напряжении помехи, соизмеримом с напряжением сигнала
выходное напряжение очень сильно отличается от синусоиды и
носит импульсный характер. Это объясняется тем, что, как видно из рисунка 11.23, увеличивается разница во времени переме-
щения вектора результирущего колебания U по дугам окружности АСВ и АDВ между экстремальными значениями фазового
сдвига. Точкам А и В соответствует нулевое значение напряжения на выходе частотного детектора, точке С - максимальное
значение, а точке D - минимальное значение этого напряжения.
Лекция 27
11.3.4. Действие флуктуационной помехи на приемник
частотной модуляции
На рисунке 11.25 показан спектр немодулированного сигнала
(одна спектральная линия при f  0 ) и спектр шума в полосе
пропускания П селективного тракта приемника. Бесконечно узкий участок спектра шума шириной
как синусоидальную помеху.
dFБ
можно рассматривать
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
331
Рис. 11.25. Спектр синусоидального сигнала и шума
в полосе пропускания селективного тракта приемника
На основании соотношения (11.6) можно записать выражение
для мощности синусоидальной помехи на выходе ЧД
РП FБ2
PC (f cm ) 2
PПвых  PСвых
По аналогии с этим соотношением можно записать выражение
для приращения мощности шума на выходе ЧД, вызванного
бесконечно узким участком спектра входного шума
dPШВЫХ  PСвых
Рmax dFБ FБ2
ПPC (f cm ) 2
При наличии ФНЧ с граничной частотой Fmax на выходе ЧД
полная шумовая мощность на выходе ФНЧ определится интегрированием dPШВЫХ в интервале от  Fmax до Fmax .
PШВЫХ  PСВЫХ
Pmax
1
PC П (f cm ) 2
2
F max
2
Б
F
 F max
dFБ  PСВЫХ
Pmax 1  Fmax  2 Fmax


PC 3  f cm  П
Тогда отношения сигнал/шум на выходе детектора по мощности и по напряжению равны
332
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
PСВЫХ
П PC
;
 3 2
PШВЫХ
2 Fmax Pmax
U СВЫХ
UC
П
 3
U ШВЫХ
2 Fmax U ШВХ
Учитывая, что полоса пропускания селективного тракта должна быть равна ширине спектра ЧМ сигнала 2 Fmax (1     ) ,
окончательно получим
U СВЫХ
UC
 3 1   
U ШВЫХ
U max
Из последнего соотношения видно, что отношение сигнал шум
на выходе тем больше отношения сигнал/шум на входе, чем
больше индекс частотной модуляции.
Заметим, что указанный выигрыш получается только при
больших отношениях сигнал/шум на входе детектора.
На рисунке 11.26 показаны зависимости отношения сигнал/шум
на выходе частотного детектора от отношения сигнал/шум на
входе селективного тракта ЧМ приемника при различных индексах частотной модуляции. Из рисунка видно, что при малых
отношениях сигнал/шум на входе селективного тракта приемника имеет место проигрыш в отношении сигнал/шум на выходе
частотного детектора, т.е. существует некоторый порог улучшения отношения сигнал/шум на выходе детектора. Этот порог
зависит от индекса модуляции. Чем больше индекс модуляции,
тем больше выигрыш, но тем больше и порог улучшения.
Рис. 11.26. Зависимости отношения сигнал/шум на выходе
частотного детектора от отношения сигнал/шум на входе
селективного тракта ЧМ приемника
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
333
Наличие порога объясняется следующим образом. Шум в относительно узкой полосе пропускания тракта основной селекции можно рассматривать как синусоидальное колебание с частотой, равной средней частоте полосы пропускания, со случайной амплитудой и случайной фазой. В некоторые моменты времени амплитуда помехи может оказаться соизмеримой с амплитудой сигнала, а фаза противоположной фазе сигнала. При этом
появится короткий, но интенсивный импульс. Чем больше отношение помеха/сигнал, тем выше вероятность появления таких
импульсов.
Заметим, что при отсутствии шума выходное напряжение частотного детектора на частоте несущей сигнала, равной средней
частоте полосы пропускания додетекторного тракта, равно нулю. Таким образом, увеличение амплитуды сигнала приводит к
резкому уменьшению уровня шумов на выходе детектора.
Наличие интенсивных импульсов шума является свидетельством работы в пороговой области или в области ниже пороговой.
Для снижения порога необходимо уменьшить уровень шума непосредственно на входе детектора. Это достигается сужением
полосы пропускания додетекторного тракта приемника. Для
обеспечения неискаженного приема ЧМ сигнала используют
или обратную связь по частоте, или следящие фильтры.
На рисунке 11.27 показана структурная схема ЧМ приемника с
обратной связью по частоте. Низкочастотный сигнал на выходе
детектора через управитель изменяет частоту гетеродина в такт
с изменением частоты ЧМ сигнала. В результате девиация промежуточной частоты приемника уменьшается, что позволяет
сузить полосу пропускания тракта промежуточной частоты и
уменьшить мощность шумов на входе детектора.
Рис. 11.27. Приемник ЧМ сигнала с обратной связью по
частоте
334
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
На рисунке 11.28 приведена структурная схема приемника ЧМ
сигнала со следящим УПЧ. Выходное напряжение частотного
детектора через управитель изменяет частоту настройки узкополосного УПЧ в такт с частотой принимаемого сигнала. В результате обеспечивается прием широкополосного ЧМ сигнала
при минимальном уровне шума на входе детектора.
Рис. 11.28. Приемник ЧМ сигнала со следящим УПЧ
11.4. Выводы по теме
1. Одноканальные (супергетеродинные) радиоприемные устройства:
- радиоприемники АМ-сигналов с двумя боковыми полосами применяются в основном для приема радиовещания в
диапазонах ДВ, СВ и КВ. В системах связи – в основном применяется АМ телефония с ОБП.
- радиоприемники ЧМ сигналов используется в УКВдиапазоне для приема звукового и телевизионного вещания и
для организации связи в системах наземной, космической, спутниковой, радиорелейной и тропосферной связи.
2. Многоканальные радиоприемные устройства - радиорелейные, радиотелеметрические, телевизионные РПУ. В них проходящий сигнал модулируется дважды: сначала модулируется
поднесущая (АМ), а затем ею модулируют несущую частоту
(ЧМ).
3.
При прохождении АМ сигнала через частотноизбирательную систему радиоприемника при совпадении частоты несущей со средней частотой полосы пропускания коэффициент глубины модуляции выходного сигнала меньше коэффициента глубины модуляции на входе. Это объясняется тем, что
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
335
боковые составляющие спектра сигнала усиливаются меньше,
чем составляющая несущей частоты.
4. При АЧХ с провалом на частоте несущей возможно увеличение коэффициента глубины АМ модуляции вплоть до перемодуляции.
5. При асимметричной АЧХ относительно несущей частоты
возникают нелинейные искажения выходного сигнала АМ детектора - одна боковая усиливается больше другой.
6. Если АМ детектор инерционен, то на выходе детектора воспроизводятся помеха и сигнал без изменения их соотношения.
7. Если АМ детектор безинерционен, то он обладает свойствами
селективности - помеха на выходе может быть слабее сигнала.
Селективность детектора наблюдается в условиях близости помехи и сигнала, когда селективность РПУ недостаточна. В этом
заключается положительная роль свойств детектора.
8. При синусоидальном законе АМ модуляции при стопроцентной модуляции отношение сигнал/шум на выходе равно
отношению сигнал/шум на входе.
9. Преимуществами однополосной передачи являются:
- сужение спектра в 2 раза, что увеличивает пропускную способность канала связи;
- более эффективное использование мощности передатчика.
- повышение устойчивости к селективным замираниям несущей сигнала, т.к. она отсутствует.
10. Сущность однополосной модуляции состоит в переносе
спектра модулирующего сигнала или в область верхней боковой, или в область нижней боковой частот относительно подавленной или ослабленной несущей частоты.
11. Основное преимущество ЧМ перед АМ - более высокая помехоустойчивость. Узкополосная модуляция применяется в
служебной и низовой радиосвязи; широкополосная - при высококачественном радиовещании и для сопровождения звуковых
телевизионных передач.
12. При частотной модуляции при изменении отклонения частоты по косинусоидальному закону из-за неидеальности АЧХ селективного тракта его коэффициент передачи изменяется во
времени с удвоенной частотой модуляции.
336
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
В результате на выходе селективного тракта действует сигнал,
модулированный не только по частоте, но и по амплитуде. Это
приводит к нелинейным искажениям сигнала на выходе частотного детектора. Для их устранения необходимо использовать
амплитудный ограничитель перед частотным детектором.
13. Из-за нелинейности ФЧХ вносимый селективным трактом
фазовый сдвиг изменяется по закону, отличному от косинусоидального. Этот фазовый сдвиг приводит к приращению отклонения частоты ЧМ сигнала - появляется третья гармоника отклонения частоты ЧМ сигнала от среднего значения, что приводит к нелинейным искажениям сигнала на выходе частотного
детектора. Борьба с ними осуществляется путем линеаризации
ФЧХ радиотракта за счет расширения полосы пропускания.
14. При частотной модуляции и флуктуационной помехе
отношение сигнал шум на выходе тем больше отношения сигнал/шум на входе, чем больше индекс частотной модуляции.
Заметим, что указанный выигрыш получается только при больших отношениях сигнал/шум на входе детектора.
11.5. Контрольные вопросы по теме
«Радиоприем непрерывных сигналов»
1. Определите область применения радиоприемников АМи ЧМ- непрерывных сигналов;
2. Приведите структурную схему супергетеродинного одноканального радиоприемника с детектором амплитудной или
частотной модуляции. Приведите принцип его работы;
3. Приведите структурную схема РПУ двухкратномодулированного сигнала. Приведите принцип его работы;
4. Приведите структурную схему многоканального РПУ с
частотным разделением каналов (АМ-АМ). Приведите принцип
его работы;
5. Приведите структурную схему многоканального РПУ с
временным разделением каналов (ВРК). Приведите принцип
его работы;
6. Приведите особенности прохождения АМ сигнала через
частотно-избирательную систему радиоприемника для случая,
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
337
когда АЧХ и ФЧХ тракта симметричны относительно частоты
несущей;
7. Приведите особенности прохождения АМ сигнала через
частотно-избирательную систему радиоприемника для случая,
когда АЧХ и ФЧХ тракта несимметричны относительно частоты несущей;
8. Приведите особенности взаимодействия сигнала и синусоидальной помехи при детектировании для случая инерционного детектора;
9. Приведите особенности взаимодействия сигнала и синусоидальной помехи при детектировании для случая безинерционного детектора;
10. Приведите особенности взаимодействия сигнала и шума
в амплитудном детекторе
11. В чем заключаются преимущества однополосной передачи?
12. В чем заключается сущность однополосной модуляции?
13. Приведите укрупненную структурную схему радиоприемника ОБП сигналов;
14. Приведите структурную схему демодулятора сигнала
ОБП;
15. Приведите особенности прохождения ЧМ сигнала через
селективный тракт приемника;
16. Приведите особенности нелинейных искажений сигнала
в частотном детекторе;
17. Приведите особенности влияния синусоидальной помехи
на приемник частотной модуляции;
18. Приведите особенности влияния флуктуационной помехи на приемник частотной модуляции;
19. Приведите структурную схему приемника ЧМ сигнала с
обратной связью по частоте и особенности его работы;
20. Приведите структурную схему приемника ЧМ сигнала
со следящим УПЧ частоте и особенности его работы.
338
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Лекция 28
Тема 12. Радиоприем дискретных сигналов
Радиотелеграфные РПУ предназначены для приема дискретных сигналов, имеющих ограниченное число значений. К таким
сигналам можно отнести двоичные сигналы, которые могут
принимать одно из двух значений: нуль или единицу, быть отрицательными или положительными. Отличительной особенностью радиотелеграфной передачи является кодирование сообщения. При амплитудной манипуляции (АТ) - амплитудном телеграфировании - один элементарный символ кода соответствует излучению полной мощности (посылки), а другой - отсутствию излучения (пауза). Этот вид работы обозначают А1. Иногда
производят амплитудную манипуляцию тонального сигнала с
последующей амплитудной модуляцией колебания несущей частоты. Этот вид работы удобен при слуховом приеме телеграфных сигналов (вид А2).
Телеграфный (исходный) сигнал (рис. 12.1):
Рис. 12.1
Амплитудно-манипулированный сигнал передатчика (рис.12.2):
Рис.12.2
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
339
На выходе детектора РПУ происходит восстановление исходного сигнала (рис. 12.3):
Рис. 12.3
12.1. Радиоприем сигналов частотной манипуляции
На рисунке 12.4 приведена структурная электрическая схема
радиоприемника частотной манипуляции. Приемник состоит из
главного тракта приема ГТП, содержащего преселектор, преобразователь частоты и усилитель промежуточной частоты, частотного детектора ЧД, ФНЧ и порогового устройства:
Рис. 12.4. Структурная схема приемника частотной манипуляции
На рисунке 12.5 приведены временные диаграммы сигналов: а)
- передаваемый первичный сигнал, б) - сигнал частотной манипуляции (ЧМ, FSK-Frequency Shift Keying) на выходе передатчика, в) - сигнал на входе приемника, г) - сигнал на выходе
ФНЧ, д) - сигнал на выходе формирователя.
340
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис. 12.5. Временные диаграммы сигналов ЧМ приемника
Передаваемый сигнал представляет собой последовательность
элементарных посылок позитива и негатива длительностью  0 .
Сущность частотной манипуляции состоит в формировании синусоидального колебания частоты позитива f ПОЗ при передаче
посылки позитива и синусоидального колебания частоты негатива f НЕГ при передаче посылки негатива. Этот вид работы обозначается F1. Сдвигом частот называется разность частот позитива и негатива
FСДВ  f ПОЗ  f НЕГ
Скорость изменения частоты сигнала в процессе манипуляции
называется скоростью манипуляции. Скорость манипуляции
равна
v
1
0
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
341
Скорость манипуляции измеряется в бодах - количестве элементарных посылок в секунду. Период манипуляции составляет
2 0 , а частота манипуляции равна
FM 
1
v

2 0 2
Типичный спектр сигнала частотной манипуляции приведен на
рисунке 12.6
Рис.12.6. Спектр сигнала частотной манипуляции
В спектре наблюдаются два характерных максимума на частотах
позитива и негатива.
На входе приемника действует сигнал, искаженный помехой,
поэтому на выходе частотного детектора и ФНЧ сигнал отличается от переданного сигнала в виде последовательности прямоугольных посылок. Для формирования выходного сигнала используется пороговое устройство, которое вырабатывает постоянное положительное напряжение при положительном входном
сигнале и постоянное отрицательное напряжение при отрицательном входном сигнале. Сигнал на выходе порогового устройства может отличаться от переданного сигнала длительностью
элементарной посылки    0 . Такие искажения называются
временными преобладаниями. Количественной мерой временных преобладаний является величина относительного изменения длительности элементарной посылки

342
 0
0
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
В худшем случае вместо переданной посылки может быть получена посылка противоположного знака, т.е. возникает ошибка
при приеме.
Рассмотрим варианты схем детекторов частотной манипуляции.
1. Фильтровой частотный детектор
Функциональная схема детектора приведена на рисунке
12.7, а его детекторная характеристика - на рисунке 12.8. По
принципу работы детектор подобен балансному частотному детектору с взаимно расстроенными контурами, но вместо контуров в нем используются два полосовых фильтра: один из них
настроен на частоту позитива, а другой на частоту негатива.
Рис. 12.7. Функциональная схема фильтрового частотного
детектора
Рис. 12.8. Детекторная характеристика фильтрового частотного детектора
Фильтры детектора обеспечивают разделение колебаний частот
позитива и негатива. Требование линейности детекторной характеристики к этому детектору не предъявляется.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
343
2. Детектор с линией задержки на цифровых интегральных
микросхемах (ИМС).
Схема детектора представлена на рисунке 12.9. В состав детектора входит формирователь, преобразующий синусоидальный
сигнал в последовательность прямоугольных импульсов с уровнями логического нуля и логической единицы. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе формирователя приведены
на рисунке12.10:
Рис. 12.9. Функциональная схема детектора сигнала
частотной манипуляции с цифровой линией задержки
на ИМС
С выхода формирователя импульсы поступают на линию задержки, реализованную на D-триггерах. Она задерживает последовательность импульсов на время  З . За это время сигнал
частоты позитива на выходе линии задержки приобретает фазовый сдвиг относительно входного сигнала, равный
 ПОЗ   ПОЗ З
Рис. 12.10. Временные диаграммы сигналов на входе и
выходе формирователя
344
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Сигнал частоты негатива на выходе линии задержки приобретает фазовый сдвиг относительно входного сигнала, равный
 НЕГ   НЕГ  З
Сигналы с входа и выхода линии задержки подаются на ключевой фазовый детектор, детекторная характеристика которого
показана на рисунке 12.11:
Рис. 12.11. Детекторная характеристика ключевого
фазового детектор
Из характеристики видно, что сигналы позитива и негатива на
выходе детектора будут максимально отличаться друг от друга
при выполнении условий:
 ПОЗ  ( 2k  1) ,  НЕГ  2k
где k = 1,2,..
Таким образом,  ПОЗ   НЕГ  ( ПОЗ   НЕГ ) З  
Из последнего соотношения определим время задержки
1
2FСДВ
Фазовый сдвиг, вносимый линией задержки на средней частоте
сигнала равен

  НЕГ (4 k  1)
 СР   СР З  ПОЗ


2
2
Из последнего соотношения с учетом (9.1) определим требуемое значение средней частоты сигнала
З 
f СР 
4k  1
FСДВ
2
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
345
Требуемое время задержки  З обеспечивается последовательным включением m D-триггеров, каждый из которых сдвигает
сигнал на время, равное периоду тактовой частоты триггера TT
 З  mTT
Тактовая частота триггера f T 
1
должна удовлетворять усTT
ловию
f T  (10.. 20 ) f СР
Достоинством детектора является возможность реализации на
цифровых ИМС, а недостатком жесткая связь средней частоты
сигнала со сдвигом частот, которая, как правило, требует дополнительного преобразования частоты.
12.2. Радиоприем сигналов минимальной частотной манипуляции
Частотная манипуляция называется минимальной, если сдвиг
частот равен частоте манипуляции
FСДВ  FM
Достоинством сигнала минимальной частотной манипуляции
(МЧМ, MSK - Minimum Shift Keying) является относительно
узкий спектр, позволяющий разместить в ограниченном частотном диапазоне большее количество каналов с частотным разделением.
Рассмотрим два способа приема этого сигнала: автокорреляционный и когерентный.
1. Автокорреляционный прием сигнала МЧМ
На рисунке 12.12 приведена функциональная схема демодулятора сигнала МЧМ, состоящего из линии задержки ЛЗ сигнала
на длительность элементарной посылки  0 , перемножителя напряжений
346
u1 и u 2 , ФНЧ, блока синхронизации БС и пороговоВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
го устройства ПУ, а на рисунке 12.3 показаны временные диаграммы сигналов демодулятора.
Рис. 12.12. Функциональная схема автокорреляционного
демодулятора сигнала МЧМ
Рис.12.13. Временные диаграммы формирования и автокорреляционной демодуляции сигнала МЧМ
На временной диаграмме U(t) - передаваемый сигнал в виде последовательности элементарных посылок. Этому сигналу соответствует сигнал МЧМ 1. Для простоты выбраны минимальные
значения частот позитива и негатива. Из рисунка видно, что
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
347
частоты позитива и негатива выражаются через длительность
элементарной посылки следующим образом:
1
,
0
f НЕГ 
FСДВ 
1
 FM
2 0
f ПОЗ 
1
2 0
При этом сдвиг частот равен
Фильтр нижних частот сглаживает пульсации на выходе перемножителя и обеспечивает помехоустойчивость приема.
Узел синхронизации вырабатывает последовательность коротких импульсов 5, которые по времени соответствуют середине
элементарной посылки. Пороговое устройство формирует постоянный положительный уровень, если в момент прихода короткого импульса напряжение на входе ПУ положительно, или
постоянный отрицательный уровень, если напряжение на входе
ПУ отрицательно. Эти уровни остаются неизменными до прихода следующего короткого импульса. Такой метод функционирования ПУ называется методом стробирования.
Лекция 29
12.3. Радиоприем сигналов фазовой
манипуляции
При фазовой манипуляции происходит скачкообразное изменение фазы колебаний в соответствии с передаваемой последовательностью импульсов телеграфного сигнала.
При приеме начало отсчета должно быть "привязано" к началу
посылки "позитива" или "негатива".
Изменение фазы сигнала отсчитывается относительно фазы
опорного колебания несущей; при этом при изменении сигнала с
«+» на «-», фаза несущего колебания изменяется на  (относительно начала!)
348
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
При «+»:
u С (t )  U МС cos( C t   C )
Рис. 12.14
При «-»:
uС (t )  U МС cos(  C t   C   )  U МС cos(  C t   C )
На рисунке 12.15 приведена структурная схема демодулятора
сигнала фазовой манипуляции (ФМ, PSK - Phase Shift Keying), а
на рисунке 12.16 - временные диаграммы формирования и демодуляции этого сигнала.
Рис. 12.15. Структурная схема демодулятора сигнала
фазовой манипуляции
С математической точки зрения формирование сигнала ФМ сводится к перемножению функции, описывающей последовательность элементарных посылок передаваемого сигнала, на функцию, описывающую синусоидальную несущую.
Из рисунка 12.16 видно, что при этом получается сигнал фазовой манипуляции: посылке позитива соответствует сигнал, фазовый сдвиг которого относительно несущей равен нулю, а посылке негатива - сигнал, фазовый сдвиг которого относительно
несущей равен 180 градусам.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
349
Рис.12.16. Временные диаграммы формирования
и демодуляции сигнала ФМ
На рис.12.6:
- 1 - передаваемый сигнал;
- 2 - сигнал фазовой манипуляции;
- 3 - несущая при передаче; опорное напряжение при приеме;
- 4 - напряжение на выходе ФНЧ;
- 5 - напряжение на выходе порогового устройства.
Такой сигнал действует на входе фазового детектора демодулятора. Для его демодуляции устройство формирования опорного
напряжения (УФОН) должно выработать сигнал, когерентный
сигналу посылки позитива на входе демодулятора.
Фазовый детектор вырабатывает выходное напряжение, зависящее от фазового сдвига между входным сигналом и опорным
напряжением. При нулевом фазовом сдвиге напряжение на выходе фазового детектора положительно. При фазовом сдвиге в
180 градусов - напряжение отрицательно. Фильтр нижних частот повышает помехоустойчивость приема. Вместо ФНЧ может
быть использован интегратор, как при приеме сигнала МЧМ.
Пороговое устройство формирует прямоугольные посылки
выходного сигнала.
350
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Наиболее сложным в реализации в демодуляторе сигнала ФМ
является УФОН. Структурная схема этого узла, выполненного
по методу В.И. Сифорова, приведена на рисунке 12.17.
Источником опорного напряжения является генератор синусоидальных колебаний Г, включенный в кольцо ФАПЧ. Для
подстройки фазы этого генератора используется входной сигнал. Фазовый детектор системы ФАПЧ ФД должен формировать
Рис. 12.17. Структурная схема УФОН
управляющий сигнал, зависящий от начального фазового сдвига
между опорным напряжением и напряжением входного сигнала.
Для того, чтобы устранить влияние фазовой модуляции входного сигнала на работу системы ФАПЧ, осуществляют умножение
частоты и фазы входного сигнала на 2 в умножителе частоты
УМН1. При умножении на 2 нулевой фазовый сдвиг дает ноль, а
фазовый сдвиг в 180 градусов - 360 градусов, т.е. тоже ноль.
Поскольку фазовый детектор может сравнивать фазы колебаний
только одинаковой частоты, то частота и фаза опорного напряжения также умножаются на 2.
При данном и других способах формирования опорного напряжения с равной вероятностью можно получить колебание синхронное или посылкам позитива, или посылкам негатива входного сигнала.
Из рисунка 12.16 следует, что если вместо опорного колебания,
показанного на рисунке, будет колебание ему противофазное, то
вместо посылки позитива будет принята посылка негатива и наоборот. Это явление называется «обратной работой».
Чтобы обнаружить обратную работу в передаваемый сигнал периодически вводят кодовые комбинации, которые заведомо изВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
351
вестны на приемной стороне. При обнаружении по ним обратной работы осуществляется инверсия принятого сигнала.
Однако указанные кодовые комбинации уменьшают скорость
передачи данных информационного сигнала. «Обратная работа»
является основным недостатком сигналов ФМ. Их достоинство высокая помехоустойчивость приема.
12.4. Радиоприем сигналов фазоразностной
манипуляции
Фазоразностная манипуляция (относительная фазовая манипуляция) отличается от фазовой тем, что информация заложена
не в абсолютной разности фаз между сигналом и опорным колебанием, а в разности фаз между текущей посылкой сигнала и
предыдущей. Существует два способа формирования сигнала
фазоразностной манипуляции (ФРМ, DPSK - Differential Phase
Shift Keying):
- имеет место скачок фазы на границе элементарных посылок на 180 градусов, если следующая посылка отрицательна
(рисунок 12.18);
- имеет место скачок фазы на границе элементарных посылок на 180 градусов, если следующая посылка положительна.
Начинается передача с посылки одного, не несущего информации элемента, который служит опорным сигналом для сравнения фазы последующего элемента.
Рис. 12.18. Формирование сигнала ФРМ
Рассмотрим два способа демодуляции сигнала ФРМ.
352
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
12.4.1. Автокорреляционный демодулятор
сигнала ФРМ
На рисунке 12.19 приведена структурная схема автокорреляционного демодулятора сигнала ФРМ, а на рисунке 12.20 - временные диаграммы сигналов демодулятора.
Рис. 12.19. Автокорреляционный демодулятор
сигнала ФРМ
Рис. 12.20. Временные диаграммы сигналов
в автокорреляционном демодуляторе
На рис. 12.20:
- 1 - переданный первичный сигнал;
- 2 - сигнал ФРМ на входе демодулятора;
- 3 - сигнал на выходе линии задержки;
- 4 - сигнал на выходе ФНЧ;
- 5 - сигнал на выходе порогового устройства.
Из рисунка видно, что сигнал на выходе порогового устройства
повторяет переданный сигнал, начиная со второй элементарной
посылки. Первая посылка пропадает.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
353
Достоинство автокорреляционного демодулятора - простота.
Недостаток - относительно низкая помехоустойчивость, так как
и во входной сигнал, и в сигнал на выходе линии задержки искажен помехой.
12.4.2. Когерентный демодулятор сигнала ФРМ
Структурная схема когерентного демодулятора сигнала ФРМ
приведена на рисунке12.21, а рисунок 12.22 поясняет работу
демодулятора.
Рис. 12.21. Когерентный демодулятор сигнала ФРМ
Устройство формирования опорного напряжения УФОН формирует синусоидальное колебание, синфазное или противофазное посылкам входного сигнала.
Сигнал на выходе фазового детектора, и следовательно, на выходе ФНЧ зависит от разности фаз входного сигнала и опорного
напряжения. Сформированные пороговым устройством прямоугольные элементарные посылки поступают на один их входов
перемножителя.
Рис. 12.22. Временные диаграммы сигналов в когерентном
демодуляторе сигнала ФРМ
354
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
На рис. 12.22:
- 1 - переданный первичный сигнал;
- 2 - сигнал ФРМ на входе демодулятора;
- 3 - опорное напряжение;
- 4 - сигнал на выходе фазового детектора;
- 5 - сигнал на выходе порогового устройства;
- 6 - сигнал на выходе линии задержки;
- 7 - сигнал на выходе перемножителя посылок.
На второй вход перемножителя поступает последовательность
элементарных посылок, задержанная на время, равное длительности одной элементарной посылки  0 .
Выходной сигнал перемножителя повторяет преданный сигнал,
начиная со второй элементарной посылки.
Нетрудно убедиться в том, что при опорном колебании, противофазном представленному на рисунке 12.22, результат детектирования окажется таким же.
Достоинством когерентного демодулятора является более высокая помехоустойчивость по сравнению с автокорреляционным.
Это объясняется тем, что на один из входов фазового детектора
поступает опорное колебание, не искаженное помехами, в отличие от входного сигнала. Недостаток демодулятора - более
сложная реализация.
11.5. Выводы по теме
1. Радиотелеграфные РПУ предназначены для приема дискретных сигналов, имеющих ограниченное число значений. К
таким сигналам можно отнести двоичные сигналы, которые могут принимать одно из двух значений: нуль или единицу, быть
отрицательными или положительными. Отличительной особенностью радиотелеграфной передачи является кодирование сообщения.
2. При амплитудной манипуляции (АТ) - амплитудном телеграфировании - один элементарный символ кода соответствуВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
355
ет излучению полной мощности (посылки), а другой - отсутствию излучения (пауза). Этот вид работы обозначают А1.
3. Иногда производят амплитудную манипуляцию тонального сигнала с последующей амплитудной модуляцией колебания несущей частоты. Этот вид работы удобен при слуховом
приеме телеграфных сигналов (вид А2).
4. При частотной манипуляции передаваемый сигнал представляет собой последовательность элементарных посылок позитива и негатива длительностью  0 . Сущность частотной манипуляции состоит в формировании синусоидального колебания
частоты позитива f ПОЗ при передаче посылки позитива и синусоидального колебания частоты негатива f НЕГ при передаче посылки негатива. Этот вид работы обозначается F1.
5. Частотная манипуляция называется минимальной, если
сдвиг частот равен частоте манипуляции FСДВ  FM . Достоинством сигнала минимальной частотной манипуляции (МЧМ,
MSK - Minimum Shift Keying) является относительно узкий
спектр, позволяющий разместить в ограниченном частотном
диапазоне большее количество каналов с частотным разделением.
6. При фазовой манипуляции происходит скачкообразное изменение фазы колебаний в соответствии с передаваемой последовательностью импульсов телеграфного сигнала. При приеме
начало отсчета должно быть "привязано" к началу посылки "позитива" или "негатива". С математической точки зрения формирование сигнала ФМ сводится к перемножению функции, описывающей последовательность элементарных посылок передаваемого сигнала, на функцию, описывающую синусоидальную
несущую.
7. Фазоразностная манипуляция (относительная фазовая манипуляция) отличается от фазовой тем, что информация заложена не в абсолютной разности фаз между сигналом и опорным
колебанием, а в разности фаз между текущей посылкой сигнала
и предыдущей.
356
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
12.6. Контрольные вопросы по теме
«Радиоприем дискретных сигналов»
1. Приведите область применения радиотелеграфных РПУ;
2. Приведите вид сигналов при амплитудной манипуляции
(АТ);
3. Приведите структурную схему приемника частотной
манипуляции и особенности его работы; приведите временные
диаграммы сигналов ЧМ приемника;
4. Приведите функциональную схему, детекторную характеристику фильтрового частотного детектора и особенности его
работы;
5.
Приведите функциональную схему детектора сигнала
частотной манипуляции с цифровой линией задержки на ИМС;
6. Приведите особенности радиоприема сигналов минимальной частотной манипуляции (автокорреляционный прием
сигнала МЧМ);
7. Приведите особенности радиоприема сигналов фазовой
манипуляции;
8. Приведите структурную схему демодулятора сигнала
фазовой манипуляции и особенности его работы;
9. Приведите структурную схему УФОН и особенности его
работы;
10. Приведите особенности радиоприема сигналов фазоразностной манипуляции;
11. Приведите структурную схему автокорреляционного демодулятора сигнала ФРМ и особенности его работы;
12. Приведите структурную схему когерентного демодулятора сигнала ФРМ и особенности его работы;
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
357
Лекция 30
Тема 13. Радиоприём широкополосных
(шумоподобных) сигналов
13.1. Сущность широкополосной связи
При введении расписания передачи и приёма появилась возможность повысить достоверность (и скрытность) передачи
сигналов. При применении для передачи нескольких частот (и
приёма) эта достоверность (и скрытность) ещё больше увеличилась: оператор мог осуществлять передачу по расписанию в момент, неизвестный для перехватчика и на неизвестной ему частоте (по известному расписанию и частотам для получателя сообщения). В этом суть широкополосного метода приёмапередачи с учётом добавления кодирования сообщений. Концепцией является использование псевдослучайных кодированных сигналов с многочастотными сигналами на основе частотно-временного уплотнения.
Широкополосная система - это система, передаваемый сигнал
которой занимает полосу частот, значительно превосходящую
ту минимальную полосу частот, которая фактически требуется
для передачи информации. В широкополосной системе исходный модулирующий сигнал (например, сигнал с телефонного
канала) с полосой всего несколько килогерц распределяют в
полосе частот, ширина которой может достигать нескольких
мегагерц. Последнее осуществляется путём двойной модуляции
несущей передаваемым информационным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом.
Метод широкополосной передачи был открыт Шенноном, который ввёл понятие пропускной способности канала – С:
,
где С – пропускная способность в бит/с, ∆F – ширина полосы, Pc
– мощность сигнала, Pш – мощность шума.
358
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Формула указывает на возможность обмена полосы пропускания на отношение сигнал/шум и наоборот.
Изменяя основание логарифма в (1), можно записать:
Для значения Pc/Pш<0,1 (хотелось бы иметь в помехозащищённых системах) имеем:
или
или
Т.е., при любом заданном отношении шум/сигнал достоверность
обеспечивается при увеличении ΔF.
Например: скорость передачи – 3·103 бит/с. Линия передачи
имеет качество Pш/Pc=100.
Тогда требуемая полоса для уверенного приёма сигнала составит:
Гц.
Способы введения информации в широкополосный сигнал:
а) информация накладывается на широкополосную кодовую
последовательность, а затем, этой суммой, модулируют несущую РПДУ. Этот способ применяется при использовании кодовой последовательности для расширения частотного спектра.
Этот вид используется для передачи информации в цифровом
виде.
б) информация «модулирует» несущую РПДУ, а затем
спектр расширяется. Этот вид используется при частотной модуляции (манипуляции).
Таким образом, для ШПС должны выполняться два условия:
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
359
 Передаваемая полоса частот должна быть много больше
полосы полезного сигнала;
 Для формирования результирующей передаваемой полосы
кроме модулирующего сигнала (информационного) должны существовать некоторая модулирующая (дополнительная) функция. Существуют два основных метода широкополосной модуляции:
– метод прямой последовательности (Direct Sequence
Spread Spectrum-DSSS)
– метод частотных скачков (Frequency Hopping Spread
Spectrum-FHSS). Оба этих метода предусматриваются стандартом 802.11 (Radio-Ethernet).
Свойства широкополосных систем:
 Возможность селективной адресации;
 Возможность уплотнения на основе кодового разделения;
 Обеспечение скрытности передачи за счет использования
сигналов с малой спектральной плотностью мощности;
 Трудность расшифровки сообщений при прослушивании конфиденциальность передач;
 Высокая помехозащищённость;
 Возможность повторного использования одного и того же
участка спектра маломощными широкополосными сигналами и
узкополосными сигналами более высокой мощности.
Последнее объясняется тем, что узкополосный сигнал может
исказить только сравнительно узкий участок спектра широкополосного сигнала, а для узкополосного сигнала широкополосный
не опасен, из-за низкой мощности этого сигнала, соизмеримой с
мощностью шумов.
13.2. Структурные схемы передатчика и приёмника
в системе с расширением спектра методом прямой
последовательности
(Direct
Sequence
Spread
Spectrum - DSSS)
Сигнал принимается только тогда, когда код РПУ совпадает с
кодом РПДУ, т.е. на одной и той же частоте может быть переда360
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
но несколько сигналов, а селекция может быть осуществлена
на основе кодового разделения и его определения на приёмной
стороне.
Передача:
РЧ-несущая (A·cos(ωc·t))
ПСП(псевдослучайная
последовательность
–
B·cos(ωм·t))
Модулированная
щая
несу-
В случае балансного модулятора:
Из этого следует, что в сигнале нет ωс (нет несущей)!
Приём:
Принимаемый сигнал
ПСП (опорная)
Исходный (восстановленный) сигнал
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
361
Отсутствие «несущей» при использовании БМ затрудняет процесс обнаружения и требует очень сложных способов обработки
(для противника). На рис. 13.1 приведена структурная схема передатчика в системе с расширением спектра методом прямой
последовательности. В передатчике осуществляется двойная
модуляция несущей. Сначала информационный сигнал U1 модулирует синусоидальную несущую U0. Затем модулированный
сигнал U2 подвергается в балансном модуляторе БМ вторичной
модуляции псевдослучайной последовательностью U3, которую
формирует генератор случайной последовательности ГПСП.
Рис. 13.1. Структурная схема передатчика в системе с
расширением спектра методом прямой последовательности.
В качестве информационного сигнала используется последовательность элементарных посылок U1. При переходе сигнала от
посылки негатива к посылке позитива и наоборот, осуществляется фазовая модуляция несущей. Переходам сигнала U1 с одно
го уровня на другой соответствуют скачки фазы сигнала U2.
Вторичная модуляция псевдослучайной последовательностью
добавляет скачки фазы выходного сигнала передатчика.
На рисунках 13.2 и 13.3 представлены спектральные диаграммы
узкополосного сигнала после первичной модуляции и широкополосного после вторичной.
362
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Рис.13.2 – Спектральная диаграмма сигнала U2
Рис.13.3 – Спектральная диаграмма сигнала U4
На рисунке 13.4 представлена структурная схема приёмника в
системе с расширением спектра методом прямой последовательности. Приёмник содержит основные узлы супергетеродина:
преселектор ПС, смеситель СМ, УПЧ, демодулятор.
Рис.13.4 – Структурная схема приемника в системе с
расширением спектра методом прямой последовательности
Особенностью приёмника является то, что синусоидальное напряжение гетеродина Г модулируется в балансном модуляторе
такой же псевдослучайной последовательностью, как и на переВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
363
дающей стороне. Эту последовательность вырабатывает ГПСП. В
результате, скачкам фазы входного сигнала, вызванным вторичной модуляцией, соответствуют такие же скачки фазы гетеродинного напряжения. При этом скачки фазы колебания промежуточной частоты отсутствуют. На выходе смесителя действует
узкополосное колебание промежуточной частоты, модулированное первичным сигналом. После усиления в УПЧ этот сигнал
детектируется демодулятором.
Существует и другой способ формирования и демодуляции широкополосного сигнала с расширением спектра методом прямой
последовательности. Сначала из информационного сигнала и
псевдослучайной последовательности формируется сигнал
U1 · U3. Затем этим сигналом модулируется несущая.
На приёмной стороне сначала осуществляется демодуляция, а
затем сигнал, пропорциональный U1 · U3 умножается на псевдослучайную последовательность U3. После этой операции выделяется информационный сигнал U1 · U3 · U3 = U1.
Операция умножения заменяется операцией сложения по модулю два, если информационный сигнал и псевдослучайная последовательность представлены уровнями логического нуля и логической единицы. На рисунке 13.5 представлена функциональная схема генератора псевдослучайной последовательности. В
состав генератора входят три D-триггера и узел сложения по
модулю два.
Рис.13.5 – Трехразрядный генератор псевдослучайной
кодовой последовательности максимальной длины
В таблице 13.1 записаны значения сигналов в течение 8 тактов
работы генератора. На нулевом такте осуществляется начальная
364
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
установка триггеров в «1».При этом на выходе узла сложения по
модулю два действует сигнал логического нуля. С приходом
очередного тактового импульса выполняются операции сдвига
сигналов: U1=U4, U4=U3, U3=U2. После сдвигов формируется
сигнал на выходе узла сложением по модулю два.
Из таблицы видно, что на седьмом такте сигналы генератора
повторяют значения соответствующих сигналов на нулевом такте.
Таким образом, период псевдослучайной последовательности
равен 7. В общем случае, период псевдослучайной последовательности равен (2m-1), где m – количество триггеров.
Таблица 13.1 Формирование псевдослучайной
последовательности
Номер
такта
0
1
2
3
4
5
6
7
U1
U2
U3
U4
1
1
1
0
0
1
0
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
0
0
1
0
1
1
1
1
1
0
0
1
0
1
1
Последовательность называется псевдослучайной, т.к. она на
самом деле представляет детерминированный периодический
сигнал, который, однако, имеет статистические свойства белого
шума. При длительности элементарной посылки псевдослучайной последовательности (чипа) t=1 мкс. и m=23 период последовательности равен 8,388 с, при m = 43 – 101,7 суток, при m=61
– 7.3·104 лет.
Рассмотренный метод расширения спектра нашёл применение в
системах подвижной связи с кодовым разделением CDMA
(Code-Division Multiple Access)
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
365
13.3. Структурные схемы передатчика и приёмника
в системе с расширением спектра методом
скачкообразного изменения частоты
Способ модуляции, заключающийся в скачкообразном изменении частоты сигнала, более точно следовало бы назвать многочастотной кодовой манипуляцией.
При обычной манипуляции используются две частоты: «нажатие (посылка)» – f1 и «отжатие (пауза)» – f2.
Передача:
Исходный сигнал
ПСП (псевдослучайная
последовательность)
модулированный сигнал
При многочастотной манипуляции используют до 220 дискретных частот, каждая из которых выбирается случайным образом
в соответствии с применяемым кодом и передаваемой информацией.
Принимаемый сигнал со скачкообразным изменением частоты
смешивается с сигналом ПСП, отличающимся от исходного на
fпромеж, и после перемножения
{f1,f2,f3…fn}х{f1+fпч;f2+fпч…fn+fпч}
366
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
получаем исходные частоты, соответствующие передаваемой
информации, а затем и исходный сигнал, соответствующий передаваемому.
Приём:
Принимаемый
сигнал
ПСП
Восстановленный
исходный сигнал
На рисунке 13.6 приведена структурная схема передатчика системы с расширением спектра методом скачкообразного изменения частоты. Генератор псевдослучайной последовательности
управляет последовательностью значений частот несущей на
выходе синтезатора частот (рис.13.7). Несущая модулируется
информационным сигналом в модуляторе передатчика.
Рис.13.6 – Структура передатчика в системе с расширением
спектра методом скачкообразного изменения частоты
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
367
Рис.13.7 – Временная диаграмма скачкообразного
изменения частоты
Структурная схема приёмника в системе расширения спектра
методом скачкообразного изменения частоты приведена на
рис.13.8.
Рис.13.8. Структурная схема приёмника в системе с
расширением спектра методом скачкообразного изменения
частоты
Отличие этого приёмника от обычного супергетеродина состоит
в том, что в качестве гетеродина используется синтезатор частоты, управляемый псевдослучайной последовательностью, такой
же, как и в передатчике. Частоты синтезатора приёмника отличаются от соответствующих частот передатчика на величину
промежуточной частоты.
Стандарт IEEE 802.11 (Radio-Ethernet) предусматривает использование 79 частот. Время удержания частоты несущей
(dwell time)составляет 20 мс.
368
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Лекция 31
13.4. Особенности использования РПУ в системах
приёма ШПС
13.4.1 Широкополосные входные каскады
Ввиду особенности РПУ (широкая полоса, где наряду с сигналом присутствуют помехи по соседнему каналу, зеркальному
каналу промежуточной частоты), применение широкополосных
входных каскадов (неперестраиваемых) не рекомендуется. Нужны перестраиваемые избирательные системы с полосой, требуемой для пропускания полезного сигнала (рис.13.9а и рис. 13.9б).
а)
б)
Рис. 13.9
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
369
В обоих вариантах УРЧ – избирательный. Во втором варианте
до коррелятора установлен ПФ (неперестраиваемый); коррелятор с фиксированной частотой fг, что предпочтительнее, так как
фильтрация по первому варианту осуществляется только входным фильтром (резонансная система), что недостаточно.
Кроме того, по первому варианту труднее подавить несущую,
чем по второму.
Уровни сигналов fг и Uопорн должны быть больше уровней максимально ожидаемых уровня смеси сигнала и шума min на 3 дБ.
Этому же должен соответствовать динамический диапазон устройств до коррелятора.
13.4.2. Требования к системе АРУ
Динамический диапазон широкополосных систем связи значительным образом зависит от помеховой обстановки, которая в
свою очередь определяется назначением РПУ:
«Спутник-Земля», «Самолёт-Земля», «Самолёт-Самолёт» и т.д.
Уровни сигнала могут измеряться от 6 и более порядков, поэтому требования к АРУ очень велики.
Структурные схемы АРУ для РПУ в системах широкополосной связипредставлены на рис.13.10, 13.11 и 13.12:
Рис. 13.10
370
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Вариант 1:
Рис. 13.11
Сигнал АРУ1 – функция полной мощности сигналов и помех,
находящихся в полосе частот полезного сигнала. Коэффициент
усиления АРУ1 выбирается таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная линейность амплитудной характеристики
тракта, а динамический диапазон тракта ПЧ1 был таким, чтобы
усиление смеси UС + UВ было в линейном режиме.
Управляющий сигнал АРУ2 формируется как функция
мощности сигнала, попадающего в пределы полосы частот передаваемого сообщения.
Вариант 2:
имеется только кольцо АРУ2 и перед блоком ПЧ2 устанавливается ПФ.
Рис. 13.12
Широкополосные каскады не охвачены АРУ1 и потому, максимальный уровень сигнала и помех не должен выходить
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
371
за границы линейной зоны амплитудной характеристики этих
каскадов. Т.е. коэффициент усиления первых каскадов не должен быть большим.
Основные требования к АРУ:
 Обладать линейностью во всем диапазоне изменения
уровней полезных сигналов и помех на входе;
 Поддерживать постоянный уровень сигнала на входе демодулятора;
 Обладать соответствующими характеристиками при переходе от АРУ по шуму к режиму работы по сигналу;
 Обеспечивать эффективную работу по шуму.
13.5. Выводы по теме
1. Широкополосная система - это система, передаваемый сигнал
которой занимает полосу частот, значительно превосходящую
ту минимальную полосу частот, которая фактически требуется
для передачи информации.
2. В широкополосной системе исходный модулирующий сигнал
(например, сигнал с телефонного канала) с полосой всего несколько килогерц распределяют в полосе частот, ширина которой может достигать нескольких мегагерц. Последнее осуществляется путём двойной модуляции несущей передаваемым информационным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом.
3. Способы введения информации в широкополосный сигнал:
а) информация накладывается на широкополосную кодовую
последовательность, а затем, этой суммой, модулируют несущую РПДУ. Этот способ применяется при использовании кодовой последовательности для расширения частотного спектра.
Этот вид используется для передачи информации в цифровом
виде.
б) информация «модулирует» несущую РПДУ, а затем
спектр расширяется. Этот вид используется при частотной модуляции (манипуляции).
4. Для ШПС должны выполняться два условия:
372
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
- передаваемая полоса частот должна быть много больше полосы полезного сигнала;
- для формирования результирующей передаваемой полосы
кроме модулирующего сигнала (информационного) должны существовать некоторая модулирующая (дополнительная) функция.
5. Свойства широкополосных систем:
- возможность селективной адресации;
- возможность уплотнения на основе кодового разделения;
- обеспечение скрытности передачи за счет использования
сигналов с малой спектральной плотностью мощности;
- трудность расшифровки сообщений при прослушивании конфиденциальность передач;
- высокая помехозащищённость;
- возможность повторного использования одного и того же
участка спектра маломощными широкополосными сигналами и
узкополосными сигналами более высокой мощности. Последнее
объясняется тем, что узкополосный сигнал может исказить
только сравнительно узкий участок спектра широкополосного
сигнала, а для узкополосного сигнала широкополосный не опасен, из-за низкой мощности этого сигнала, соизмеримой с мощностью шумов.
6. Ввиду особенности РПУ для систем ШПС (широкая полоса, где наряду с сигналом присутствуют помехи по соседнему
каналу, зеркальному каналу промежуточной частоты), применение широкополосных входных каскадов (неперестраиваемых) не
рекомендуется. Нужны перестраиваемые избирательные системы с полосой, требуемой для пропускания полезного сигнала.
7. АРУ в РПУ для систем ШПС должна:
- обладать линейностью во всем диапазоне изменения уровней полезных сигналов и помех на входе;
- поддерживать постоянный уровень сигнала на входе демодулятора;
- обладать соответствующими характеристиками при переходе от АРУ по шуму к режиму работы по сигналу;
- обеспечивать эффективную работу по шуму.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
373
13.6. Контрольные вопросы по теме
«Радиоприём широкополосных (шумоподобных)
сигналов»
1. В чем заключается суть широкополосного метода приёмапередачи?
2. Приведите понятие пропускной способности канала по
Шеннону;
3. Приведите основные свойства широкополосных систем;
4. Приведите структурную схему передатчика в системе с
расширением спектра методом прямой последовательности и
особенности его работы;
5. Приведите структурную схему приемника в системе с
расширением спектра методом прямой последовательности и
особенности его работы;
6. Приведите структурную схему передатчика в системе с
расширением спектра методом скачкообразного изменения частоты и особенности его работы;
7. Приведите структурную схему приёмника в системе с расширением спектра методом скачкообразного изменения частоты
и особенности его работы;
8. Приведите особенности построения широкополосных
входных каскадов устройств широкополосных систем связи;
9. Приведите структурные схемы АРУ для РПУ в системах
широкополосной связи;
10. Приведите требования к системам АРУ для РПУ в системах широкополосной связи.
374
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Лекция 32
Тема 14. Заключение. Пути развития
устройств приема и обработки сигналов
Данный раздел является кратким изложением материалов,
представленных в /6/.
Пути создания новых, более совершенных РПУ и комплексов
подсказывает теория радиоприемных устройств. Однако и она
сама формируется под воздействием общих разделов радиоэлектроники: с одной стороны, например, общей теории передачи
сообщений, с другой стороны, развитием прикладных отраслей,
определяющих элементную базу приемных устройств и тесно
связанных с технологией производства радиоэлектронной аппаратуры, современными средствами автоматизации.
Таким образом, перечисленные факторы приводят к изменению
содержания теории РПУ, дифференциации ее на относительно
узкие направления. В теории радиоприема все больше внимания
уделяется вопросам системотехники, т.е. теории синтеза структурных схем устройств и входящих в них функциональных блоков, оптимизации схем с учетом реальных характеристик узлов,
описаний (анализа) конкретных схемных решений.
В то же время схемотехника (микросхемотехника) в большей
степени входит в содержание прикладных дисциплин, таких как
схемотехника СВЧ, цифровая обработка сигналов и т.п.
14.1. Краткая историческая справка по развитию
УПОС. Современная техника УПОС
24 марта 1896г А.С. Попов впервые в истории человечества
продемонстрировал передачу электрическими сигналами осмысленного текста, состоящего из двух слов («Генрих Герц») на
расстоянии всего 250 метров. В 1898г дальность действия была
доведена до 45 км.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
375
В 1900 г. радиосвязь впервые была использована на практике
при снятии с камней у острова Гогланд броненосца «Генераладмирал Апраксин» и при спасении рыбаков, унесенных в море.
В 1901 г. дальность связи достигла 150 км. Увеличению дальности радиосвязи способствовало изобретение А.С. Поповым
углесталистого детектора, заменившего когерер, и открытие П.Н.
Рыбкиным возможности слухового приема радиотелеграфных
сигналов. На Международной выставке 1900 г. в Париже приемник А.С. Попова был удостоен Большой золотой медали.
Кроме А.С. Попова радиотелеграфией занимались многие другие ученые и инженеры, а также и предприниматели. Наибольшего успеха при этом добился итальянский изобретатель и
предприниматель Гульемо Маркони, который в июне 1896 г.
запатентовал в Англии свое изобретение. Изобретение А.С. Попова, к сожалению, запатентовано не было.
Будучи сам человеком далеко не бедным, Маркони склонил
английских предпринимателей и банкиров к созданию компании
по использованию его изобретения. Миллионные средства компаний Маркони позволили обогнать Россию по размаху дела и
дальности радиосвязи (в 1901 г.- 560 км.). Как не вспомнить, что
на первом ходатайстве А.С. Попова о выделении денег на опыты
(около 300 руб.) морской министр написал: «На такую химеру
денег отпускать не разрешаю». А.С. Попов умер от кровоизлияния в мозг 13 января 1906 г.
Патентодержатель Г. Маркони в 1903 г. стал лауреатом Нобелевской премии.
Царское правительство России не сумело оценить величие
изобретения своего соотечественника А.С. Попова и на «химеру» по-прежнему денег отпускали очень мало. Первые образцы
радиостанций, основанные на русском изобретении, в конце века заказывали во Франции на фирме «Дюкрете». А.С. Попов к
1902 г. имел в Кронштадте лишь небольшую мастерскую по изготовлению радиостанций. В 1903 г. Морское министерство,
решив, наконец, радиофицировать русские корабли, заключило
соглашение с немецкой фирмой «Телефункен».
К этому же времени относится и возникновение радиоразведки,
когда, используя свои приемные станции, русские связисты про376
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
слушивали переговоры японских кораблей, а по изменению слышимости при перемене курса корабля определялось и примерное направление на работающую станцию. К началу первой мировой войны русская армия начала оснащаться приемопередающими станциями. Однако заказы на радиовооружение
были переданы не русским, а иностранным фирмам.
В 1906 г. в России один за другим начали открываться филиалы
иностранных фирм «Телефункен», «Эриксон» и даже английской
фирмы Маркони. Этим объясняется задержка в развитии отечественной радиопромышленности. Уже к концу войны наше радиовооружение значительно уступало радиовооружению союзных
армий противника, где быстро развивалась ламповая техника. Отношение к радио существенно изменилось в молодой Советской
республике. 19 мая 1922 г., в условиях тяжелейшего экономического положения страны было ассигновано сверх сметы 100 000
рублей золотом на постановку работ Нижегородской радиолаборатории. Уже к 1927 г. Красная Армия имела стройную систему
радиовооружения, характеризующуюся наличием ламповых, телефонотелеграфных длинно- и средневолновых станций. Позднее
наша радиопромышленность стала независима от заграничных
поставок. Благодаря усилиям таких ученых как М.В. Шулейкин,
М.А. Бонч-Бруевич, Н.Д. Папалекси, А.И. Берг, А.Н. Минц и др.
были созданы и поступили на вооружение наших частей приемники ПКВ (начало 1930-х годов), СВ-приемник «Ветер» (1930
г.), КТВ (1938 г.), 45ПК1, 45ПС1. В 1941 г. начался серийный
выпуск
УКВ
радиостанций,
работающих
частотномодулированными сигналами («Север У»), разработанных в Ленинграде в дни блокады. Итоги эксплуатации и боевого применения радиосредств в условиях войны были приведены в конце
1944 года на научно-технической конференции, на которой было отмечено, что радиовооружение нашей армии удовлетворяло
требованиям командования и по своим тактико-техническим
данным не имело себе равных
в мире. В дальнейшем на основе опыта войны, достижений науки и промышленности были разработаны проекты новых радиосредств. В целом, если рассматривать послевоенные годы, то
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
377
можно выделить несколько поколений радиоприемной аппаратуры, меняющихся примерно раз в десятилетие.
1950-е годы. Первое послевоенное поколение аппаратуры. Характеризуется ламповой схемотехникой. На линиях связи в этот
период широко внедряются виды радиопередач, обеспечивающих автоматическую буквопечатающую связь. Были достигнуты
достаточно высокие качественные показатели приемников, такие
как чувствительность и избирательность по соседним каналам
приема. Типичным представителем приемников этого поколения
являются радиоприемники KB диапазона - «Крот», «Кит» (Р-250)
и СДВ диапазона - «Туман», «Волна-К». Особо следует отметить достоинства РПУ Р-250, созданного под руководством лауреата Государственной премии преподавателя Академии связи
В.А. Савельева. Технические решения, заложенные в приемник,
настолько удачны, что, пройдя ряд модернизаций, касающихся в
основном элементной базы, он дожил до наших дней. И сейчас
РПУ Р-250М2 еще встречается в войсках, его охотно покупали
развивающиеся страны, поэтому выпуск его долго не прекращался. Для этого этапа характерно практическое использование УКВ
диапазона волн и принятие на вооружение РПУ Р-375, Р-323.
Второе поколение - 1960-е годы - характерно транзисторизацией аппаратуры, что позволило при сокращении ее габаритов
достигнуть ряда важных оперативно-технических эффектов. В
первую очередь необходимо отметить успехи в разработке высокостабильных синтезаторов частоты, что позволило внедрить
однополосные сигналы и обеспечить при необходимости уплотнение каналов. Вторым важным аспектом достижения высокой
стабильности частоты явилось обеспечение бесподстроечного
ведения боевой работы. Представителем этого поколения аппаратуры являются приемники «Канал-Р», Р-155П, Р-390-1 «Гамма».
Третье поколение. Это аппаратура разработки 70-х годов, которая используется и в настоящее время. Ее отличительной особенностью является использование интегральной схемотехники,
внедрение цифровых элементов в системы стабилизации частоты,
системы управления приемником, реализации цифровых демодуляторов, микропроцессоров и т.п. Приемники отличаются ма378
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
лым временем перестройки, возможностями перестройки по заранее заданной программе, а, следовательно, возможностью их
использования в автоматизированных линиях связи и автоматизированных комплексах извлечения информации. К приемникам
этого поколения можно отнести Р-313М2, Р-323М, Р-399А «Катран», «Антей-1».
Четвертое-пятое поколения. Современный этап развития характеризуется созданием автоматизированных систем и комплексов сбора и передачи информации в различных диапазонах
волн. Современные радиоприемные устройства создаются с учетом возможности их применения в этих комплексах. К ним
предъявляются следующие основные требования:
- работа в широком диапазоне частот вплоть до десятков гигагерц;
- обеспечение длительной бесподстроечной работы;
- обеспечение высокой скорости перестройки, в том числе в
панорамном и программном режимах;
- высокая точность настройки на частоту;
- возможность сопряжения с ПЭВМ;
- высокие чувствительность и избирательность;
- малые габариты и масса.
Представителями РПУ четвертого поколения являются: в ДВКВ диапазонах - Р-309А «Прыжок», ДМВ-ММВ диапазонах «Антей-2Р».
Новыми РПУ ДВ-КВ диапазонов пятого поколения, принимаемыми на вооружение, являются отечественные радиоприемники Р-397 П-215 «Ольхон-Гелиос-215» и «Артек-Гелиос»,
ДМВ-ММВ диапазонов- радиоприемные комплексы «Антей-3»
и «Антей-4».
В конце 1992 года на отечественном рынке появилась аппаратура следующего поколения - сканирующие приемники, в основном японского или немецкого (ФРГ) производства. Сначала потенциальных покупателей отталкивала их достаточно высокая
цена, однако несомненные достоинства подобной аппаратуры
быстро сделали ее популярной. Сканирующие приемники можно разделить на две группы: носимые и возимые.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
379
К первой группе (носимых) относятся малогабаритные приемники массой 150...300 г, выполненные в корпусе, удобном для
скрытого ношения (типа сотового телефона первых моделей) и
пригодные для работы в любых условиях. Они имеют автономные источники питания и свободно умещаются во внутреннем
кармане пиджака. Однако, несмотря на малые размеры и вес,
подобные приемники позволяют вести контроль в диапазоне
частот от 100 кГц до 1300 МГц, а некоторые и до 2000 МГц
(AR-8000, HSC-050). Они обеспечивают прием сигналов с амплитудной (AM), узкополосной (NFM) и широкополосной (WFM)
частотной модуляцией. Приемник AR-8000, кроме того, позволяет принимать сигналы с амплитудной однополосной модуляцией (SSB) как в режиме приема верхней (USB), так и нижней
боковой полосы (LSB), а также телеграфных сигналов (CW). При
этом чувствительность составляет, в зависимости от вида сигнала, от 0,35 до 6 мкВ. Портативные сканирующие приемники
имеют от 100 до 1000 каналов памяти и обеспечивают скорость
сканирования от 20 до 30 каналов за секунду при шаге перестройки от 50 Гц до 1000 кГц. Практически все они могут
управляться компьютером.
Возимые приемники отличаются от переносных несколько
большей массой - от 1,2 до 6,8 кг, габаритами и, в некоторых
случаях, имеют дополнительные возможности. Они предназначены для работы в помещениях или автомобиле. Почти все РПУ
этого типа имеют возможность управления с ПЭВМ (AR-5000,
/C-R8500, WRD-545).
В несколько обособленный подкласс возимых приемников
можно выделить сканеры, выпускаемые либо в виде специальных блоков, подключаемых к ПЭВМ, или в виде печатных плат,
вставляемых непосредственно в системный блок компьютера. В
качестве примеров реализации подобной аппаратуры могут
служить устройства C-PCR1000 и Winradio.
Таким образом, основным звеном любой системы связи или
комплекса сбора информации является радиоприемное устройство. Важность изучения дисциплины «Устройства приема и
обработки сигналов» на современном этапе заключается в том,
что:
380
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
- изучение новых образцов техники, их эксплуатация невозможны без высокой теоретической подготовки, твердых практических навыков, углубленной самостоятельной работы, культуры научного мышления, которые должны приобретаться и развиваться в ходе изучения дисциплины;
- все возрастающие требования к параметрам РПУ, усложнение условий их работы требуют при их создании новых схемотехнических решений;
- новые достижения в радиоэлектронике, в первую очередь,
транзисторизация аппаратуры и внедрение микроэлектроники,
позволяют реализовать схемотехнические решения устройств в
конструкциях, удобных в технологическом и эксплуатационном
отношениях.
14.2. Перспективы развития устройств приема
и обработки сигналов
Постоянное появление новых систем и средств радиосвязи ставит перед разработчиками аппаратуры связи и мониторинга достаточно сложные технические задачи.
Анализ особенностей функционирования современных систем
радиосвязи, структуры используемых в них сигналов и технических возможностей неавтоматизированных средств обработки
показывает, что применение последних не позволяет эффективно решать задачи радиомониторинга, что объясняется:
- большими временными затратами, вызванными необходимостью использования ручного труда оператора в процессе определения технических параметров сигнала и настройки обрабатывающей аппаратуры;
- необходимостью задействования большого числа различных аппаратных средств и нескольких операторов при контроле
систем связи, использующих при радиообмене большое количество частот и ряд различных видов модуляции;
- отсутствием штатных образцов техники для доступа к ряду современных радиосигналов со сложными видами модуляции
и кодирования. В этих условиях необходимость повышения технических возможностей комплексов радиоприема и мониторинВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
381
га предполагает разработку и внедрение новых технических
средств, адекватных по своим параметрам контролируемым системам связи. В целом состав аппаратуры таких комплексов должен обеспечить решение задач радиоприема, обнаружения, анализа, демодуляции, декодирования и обработки принятых сообщений. Предполагается широкое использование в устройствах
приема и обработки методов интегрального исполнения отдельных
узлов,
являющихся
сложными
функциональнозаконченными изделиями с ранее заданными параметрами.
Использование функционально-законченных изделий позволяет
изменить подход к построению аппаратуры, например, использовать агрегатно-блочный, магистрально-модульный методы построения трактов. Их сущность состоит в том, что требуемое
устройство с заданными функциями и качественными показателями набирается из отдельных узлов, объединенных определенным образом. Это позволяет переходить от построения отдельного устройства с раз и навсегда созданной схемой и качеством
к семейству устройств, создавать множество модификаций, в
большей степени приспособленных к конкретным условиям их
использования.
Переход к такому принципу построения идет по двум направлениям:
- во-первых, это изыскание оптимальных решений по формированию функциональных узлов и блоков, разработка необходимого их ассортимента для аппаратуры отдельного класса;
— во-вторых, это разработка методов построения изделий с
рациональной структурой при максимальном использовании
функциональных узлов общего применения, которые не всегда
являются оптимальными к конкретному изделию. В этом случае
возникает задача минимизации объема дополнительного оборудования, необходимого для формирования функциональных узлов и блоков и сопряжения между собой.
С этими направлениями связаны две следующие тенденции.
1. В современных условиях становится актуальной задача
разработки методов ускоренного автоматизированного проектирования устройств приема и обработки. В этом плане возникает
необходимость дальнейшей оптимизации приемов и методов
382
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
проектирования устройств по ряду показателей качества, использование математического моделирования радиосистем, позволяющего прогнозировать их свойства на ранней стадии проектирования. При этом все в большей степени проявляется зависимость, взаимосвязь схемотехники, конструкторских решений
и технологии производства аппаратуры.
2. Увеличивается применение в приемных устройствах элементов дискретной цифровой техники в микроминиатюрном
исполнении, вплоть до использования микропроцессоров.
В общем случае наиболее перспективным представляется создание современных устройств приема и обработки в виде функционально законченных аппаратно-программных комплексов. В
зависимости от характера решаемых задач реализация функций
приема и обработки может производиться либо аппаратными,
либо программными средствами на основе специальных алгоритмов.
Организация контроля сигналов систем наземной радиосвязи
предусматривает решение целого ряда задач, основными из которых являются:
- поиск и обнаружение радиосигналов при панорамном просмотре в требуемом диапазоне частот или при контроле фиксированного набора частот;
- определение параметров и вида модуляции обнаруженных
сигналов;
- демодуляция заданных типов сигналов;
- определение при необходимости вида и структуры двоичных последовательностей, видов синхронизации, первичного и
помехоустойчивого кодирования, скремблирования, перемежения и др.;
- декодирование двоичных последовательностей и выделение сообщений;
- регистрация сигналов и сообщений, архивация данных радиоконтроля.
Как показал опыт, для решения этих задач требуется использование автоматизированных комплексов, обеспечивающих:
- настройку на сигналы с точностью до 1 Гц в диапазонах
частот от 100 кГц до десятков гигагерц;
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
383
- автоматическое сканирование в заданном диапазоне частот
с отображением результатов сканирования в координатах времячастота и амплитуда-частота;
- автоматическое сканирование по списку заранее заданных
частот;
- остановку на частоте обнаруженного радиосигнала по команде оператора или в автоматическом режиме;
- определение в автоматическом и в режиме диалога с оператором модуляционных параметров анализируемых сигналов;
- демодуляцию заданных классов сигналов;
- регистрацию аналоговых сигналов в цифровом виде и демодулированных сигналов на машинный носитель;
- прослушивание записанных сигналов с использованием
стандартных средств мультимедиа компьютера;
- ведение базы данных обрабатываемых сигналов.
Теория и практика развития устройств приема и обработки сигналов не ограничена рамками программы одноименной дисциплины. Знания по принципам устройства и функционирования
отдельных функциональных узлов и трактов должны заложить
основу изучения сложных современных комплексов, в которые
радиоприемные устройства входят как составные элементы. Поэтому, не зная их, невозможно технически грамотно и эффективно организовать эксплуатацию комплекса в целом.
Приемники это те устройства, на базе которых родилась и дифференцировалась по различным направлениям современная радиотехника. Именно через них проходит связь между такими
дисциплинами как, например, общая теория связи, статистическая радиотехника, электронные приборы и т.д. В свою очередь
и эти дисциплины оказывают существенное влияние на перспективы развития устройств приема и обработки.
В любом случае, при изучении и освоении конкретных образцов
аппаратуры, необходимо подходить к этому с инженерных позиций. Желательно не просто уяснить, как построен приемник, а
почему именно такие инженерные решения приняты, какими
способами обеспечены те или иные качественные показатели,
как регулировками обеспечить максимально возможное для
конкретных условий качество приема.
384
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
При изучении новых устройств необходимо установить:
- какие принципы, заложенные в них, уже использовались;
- что нового внесено в данное конкретное устройство.
Причем не просто новое, а тот главный фактор, который определит новое качество системы, устройства и т.д. Это позволит
не увязнуть в деталях, понять общие вопросы построения устройства, на основе которых можно анализировать детали и
вспомогательные подсистемы устройства. При изучении конкретных образцов аппаратуры важно не ограничиваться только
техническими описаниями. Их объем, как правило, очень ограничен и не достаточен для полного понимания сущности процессов, происходящих в аппаратуре. Идеи многих технических
решений можно найти в специальной литературе.
В идеальном случае инженер должен предвидеть, какие изменения в аппаратуре и принципах ее построения должны произойти
в ближайшее время и быть готовым к этим изменениям.
Как известно, аппаратура, предназначенная для решения задач
радиомониторинга, по своим принципам построения, возможностям не должна отставать от самых современных средств развитых зарубежных государств. Поэтому одной из задач квалифицированного специалиста является постоянное изучение тенденций
в развитии средств и техники связи, методов их использования,
а также незамедлительная реакция на эти изменения.
Таким образом, современный радиоинженер должен быть высококвалифицированным специалистом, постоянно работать над
повышением своих теоретических знаний, практических навыков и умений.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
385
Ответы
на контрольные вопросы по темам
Контрольные вопросы по теме
«Составные части и функции
устройств приема и обработки
сигналов (УПОС)»
386
Ответы на
вопросы
Стр.
вопрос №1
вопрос №2
вопрос №3
вопрос №4
вопрос №5
вопрос №6
вопрос №7
вопрос №8
вопрос №9
вопрос №10
Стр.19
Стр.19
Стр.19
Стр.19
Стр.19
Стр.20-22
Стр.22-23
Стр.23
Стр.23-24
Стр.24-25
вопрос №11
вопрос №12
вопрос №13
вопрос №14
вопрос №15
Стр.25-26
Стр.26-27
Стр.27-28
Стр.27-28
Стр.28-29
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Контрольные вопросы по теме
«Показатели качества »
вопрос №1
вопрос №2
вопрос №3
вопрос №4
вопрос №5
вопрос №6
вопрос №7
вопрос №8
вопрос №9
вопрос №10
вопрос №11
вопрос №12
вопрос №13
вопрос №14
вопрос №15
вопрос №16
вопрос №17
вопрос №18
вопрос №19
вопрос №20
вопрос №21
вопрос №22
Ответы на
вопросы
Стр.
Стр.33
Стр.33
Стр.33-34
Стр.34
Стр.34-35
Стр.35-39
Стр.35-39
Стр.39-40
Стр.40-42
Стр.42-43
Стр.43-44
Стр.44
Стр.44
Стр.44
Стр.44-47
Стр.47-49
Стр.49
Стр.49-51
Стр.51
Стр.51-52
Стр.52-54
Стр.54
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
387
Контрольные вопросы по теме
«Входные цепи»
вопрос №1
вопрос №2
вопрос №3
вопрос №4
вопрос №5
вопрос №6
вопрос №7
вопрос №8
вопрос №9
вопрос №10
вопрос №11
вопрос №12
388
Ответы на
вопросы
Стр.
Стр.58
Стр.58
Стр.58-59
Стр.59
Стр.59-60
Стр.60-61
Стр.61-62
Стр.62-63
Стр.63-65
Стр.68-69
Стр.69-75
Стр.75-77
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Контрольные вопросы по теме
«Усилители
радиочастоты»
вопрос №1
вопрос №2
вопрос №3
вопрос №4
вопрос №5
вопрос №6
вопрос №7
вопрос №8
вопрос №9
вопрос №10
вопрос №11
вопрос №12
вопрос №13
вопрос №14
вопрос №15
вопрос №16
вопрос №17
вопрос №18
вопрос №19
вопрос №20
вопрос №21
вопрос №22
вопрос №23
вопрос №24
вопрос №25
вопрос №26
вопрос №27
Ответы на
вопросы
Стр.
Стр.88
Стр.88
Стр.89
Стр.88-89
Стр.89
Стр.89-92
Стр.92-95
Стр.95
Стр.95-100
Стр.95-100
Стр.95-100
Стр.95-100
Стр.107-110
Стр.107-111
Стр.111-112
Стр.112-114
Стр.114-119
Стр.114-115
Стр.115-117
Стр.117-118
Стр.118-119
Стр.119-120
Стр.123-124
Стр.125-127
Стр.127-128
Стр.128-131
Стр.128-131
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
389
390
Контрольные вопросы по теме
«Преобразователи частоты»
Ответы на вопросы. Стр.
вопрос №1
вопрос №2
вопрос №3
вопрос №4
вопрос №5
вопрос №6
вопрос №7
вопрос №9
вопрос №10
вопрос №11
вопрос №12
вопрос №13
вопрос №14
вопрос №15
вопрос №16
вопрос №17
вопрос №18
вопрос №19
вопрос №20
Стр.136
Стр.136
Стр.137-139
Стр.137-139
Стр.158-159
Стр.139
Стр.139-140
Стр.140-141
Стр.141-144
Стр.144-145
Стр.145-155;
Стр.145-153
Стр.158-160
Стр.161-165
Стр.161-165
Стр.160-161
Стр.160-161
Стр.165-170
Стр.170-173
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Контрольные вопросы по теме «Амплитудные детекторы»
Ответы на
вопросы
Стр.
вопрос №1
вопрос №2
вопрос №3
вопрос №4
вопрос №5
вопрос №6
вопрос №7
вопрос №8
вопрос №9
вопрос №10
вопрос №11
вопрос №12
вопрос №13
вопрос №14
вопрос №15
вопрос №16
вопрос №17
вопрос №18
вопрос №19
вопрос №20
вопрос №21
вопрос №22
вопрос №23
Стр.178
Стр.178-179
Стр.180
Стр.180-181
Стр.181-183
Стр.181-183
Стр.183-185
Стр.185-186
Стр.186-191
Стр.191-193
Стр.189-191
Стр.194-195
Стр.195-196
Стр.196-198
Стр.198-200
Стр.200-201
Стр.201-207
Стр.204-205
Стр.207-210
Стр.210
Стр.210-212
Стр.212-213
Стр.213-216
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
391
Контрольные вопросы по теме «Амплитудные ограничители»
вопрос №1
вопрос №2
вопрос №3
вопрос №4
вопрос №5
вопрос №6
Ответы на
вопросы
Стр.
Стр.222
Стр.222-223
Стр.223
Стр.223-224
Стр.224-225
Стр.226-228
Контрольные вопросы
по теме «Детекторы
угловой модуляции»
Ответы на
вопросы
Стр.
вопрос №1
вопрос №2
вопрос №3
вопрос №4
вопрос №5
вопрос №6
вопрос №7
вопрос №8
392
Стр.230
Стр.230
Стр.230
Стр.230-231
Стр.231-232
Стр.232-234
Стр.234-235
Стр.235
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Контрольные вопросы
по теме «Частотные
детекторы»
вопрос №1
вопрос №2
вопрос №3
вопрос №4
вопрос №5
вопрос №6
вопрос №7
вопрос №8
вопрос №9
вопрос №10
вопрос №11
вопрос №12
вопрос №13
вопрос №14
вопрос №15
Ответы на
вопросы
Стр.
Стр.238
Стр.238
Стр.238-239
Стр.239
Стр.239-240
Стр.241
Стр.240-241
Стр.241-242
Стр.242-243
Стр.243-245
Стр.245-246
Стр.246-250
Стр.250-252
Стр.252-259
Стр.259-264
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
393
Контрольные вопросы Ответы
по теме
на
«Регулировки в РПУ» вопросы
Стр.267
вопрос №1
Стр.267
вопрос №2
Стр.267-268
вопрос №3
Стр.268-270
вопрос №4
Стр.270-271
вопрос №5
Стр.271-272
вопрос №6
Стр.272-273
вопрос №7
Стр.273
вопрос №8
Стр.273-276
вопрос №9
Стр.276-277
вопрос №10
Стр.277-278
вопрос №11
Стр.278-279
вопрос №12
Стр.279
вопрос №13
Стр.280
вопрос №14
Стр.280-282
вопрос №15
Стр.282-284
вопрос №16
Стр.285-286
вопрос №17
Стр.287
вопрос №18
Стр.287
вопрос №19
Стр.288-289
вопрос №20
Стр.289-290
вопрос №21
Стр.290-291
вопрос №22
Стр.291-292
вопрос №23
Стр.292
вопрос №24
Стр.292-293
вопрос №25
Стр.293-294
вопрос №26
Стр.294-295
вопрос №27
Стр.295-297
вопрос №28
394
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
вопрос №29
Стр.298
вопрос №30
вопрос №31
вопрос №32
вопрос №33
Стр.298
Стр.299-300
Стр.300-391
Стр.301
Контрольные вопросы по
теме «Радиоприем
непрерывных сигналов »
вопрос №1
вопрос №2
вопрос №3
вопрос №4
вопрос №5
вопрос №6
вопрос №7
вопрос №8
вопрос №9
вопрос №10
вопрос №11
вопрос №12
вопрос №13
вопрос №14
вопрос №15
вопрос №16
вопрос №17
вопрос №18
вопрос №19
вопрос №20
Ответы на
вопросы
Стр.
Стр.308
Стр.308-309
Стр.309-310
Стр.310-311
Стр.311
Стр.312-316
Стр.316-317
Стр.317-318
Стр.319
Стр.319-321
Стр.321-322
Стр.322
Стр.322
Стр.322-323
Стр.323-326
Стр.326
Стр.327-331
Стр.331-335
Стр.335
Стр.335
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
395
Контрольные вопросы по
теме «Радиоприем
дискретных сигналов»
вопрос №1
вопрос №2
вопрос №3
вопрос №4
вопрос №5
вопрос №6
вопрос №7
вопрос №8
вопрос №9
вопрос №10
вопрос №11
вопрос №12
396
Ответы на
вопросы
Стр.
Стр.340
Стр.340
Стр.341-343
Стр.343-344
Стр.344-347
Стр.347-349
Стр.349-350
Стр.350
Стр.350-352
Стр.352-353
Стр.353-354
Стр.354-356
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Контрольные вопросы по теме
«Радиоприем широкополосных
сигналов »
вопрос №1
вопрос №2
вопрос №3
вопрос №4
вопрос №5
вопрос №6
вопрос №7
вопрос №8
вопрос №9
вопрос №10
Ответы на
вопросы. Стр.
Стр.359
Стр.359-361
Стр.361
Стр.361-364
Стр.364-366
Стр.367-368
Стр.368
Стр.369-370
Стр.371-372
Стр.372
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
397
Литература
Основная:
1. Федеральный государственный образовательный стандарт
высшего профессионального образования по направлению подготовки: 108 б – Радиотехника. Квалификация (степень) - бакалавр; по направлению подготовки
108 м –
Радиотехника.
Квалификация (степень) - магистр.
2. Радиоприемные устройства. Учебник для вузов. Под ред.
Н.Н. Фомина -М.: Горячая линия- Телеком. 2007г - 520 стр.
3. Галочкин В.А. «Устройства приема и обработки сигналов».
Учебное пособие. Методическая разработка к лабораторным
работам - Самара: ФГОБУВПО ПГУТИ, 2015г.- 255стр.
Дополнительная:
4. Основы электроники, радиотехники и связи: учебное пособие для вузов /А.Д.Гуменюк, В.И. Журавлев, Ю.Ю. Мартюшев и
др.; под ред. Г.Д.Петрухина – М.: Горячая линия – Телеком,
2008. – 480с.
5. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогоцифровых электронных устройств. – М.: Издательский дом «Додэка - 21», 2005 – 528с.
6. Колосовский Е.А. Устройства приема и обработки сигналов.
Учебное пособие для вузов.- М.: Горячая линия – Телеком,
2007- 465с.
7. Белкин М.К. и др. Справочник по учебному проектированию
приемо-усилительных устройств. Под общей редакцией
М.К.Белкина. Изд-во «Выша школа» 1988г.
8. Иванова В.Г. и др. Методические разработки к лабораторным работам по радиоприемным устройствам. Часть 2.
КЭИС. Кафедра РПУ. Под редакцией П.Д. Берестнева . 1991г.
69стр.
398
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Глоссарий
по дисциплине
«Устройства приема и обработки сигналов»
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
399
Тема 1. Составные части и функции устройств
приема и обработки сигналов (УПОС)
УПОС – устройство приема и обработки сигнала, предназначенное
для улавливания, преобразования и использования
энергии электромагнитных волн.
Антенна - предназначена для улавливания и преобразования
энергии электромагнитных волн в радиотехнические токи и напряжения и обеспечения пространственной, поляризационной и
частотной селекции.
Радиоприемник - предназначен для усиления, селекции и
детектирования сигнала.
Входная цепь предназначена для предварительной селекции
сигнала.
Усилитель радиочастоты в приемнике прямого усиления
предназначен для усиления сигнала до уровня, необходимого
для нормальной работы детектора, и для селекции сигнала.
Детектор предназначен для преобразования модулированного радиочастотного сигнала в низкочастотный сигнал, изменяющийся по закону модуляции.
Усилитель частоты модуляции предназначен для усиления
сигнала до уровня, необходимого для нормальной работы оконечного устройства.
Оконечное устройство приемника обрабатывает и воспроизводит сообщение в требуемой форме.
Преобразователя частоты осуществляется перенос спектра
принимаемого сигнала в область боле низких промежуточных
частот. Преобразователь частоты состоит из смесителя и гетеродина.
Смеситель состоит из преобразующего элемента и фильтра
промежуточной частоты. Под действием напряжения гетеродина крутизна преобразующего элемента становится функцией
времени.
Помехи по соседнему каналу – помехи, например, в виде
частот соседних каналов (ввиду их близости), попадающие в
спектр основного канала приема, искажая полезный сигнал.
400
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Побочные каналы приема - обусловлены продуктами преобразования частоты помехи и частоты гетеродина. Эти помехи
накладываются на основной сигнал и искажают его.
Канал приема на частоте зеркального канала fзерк - канал с частотой помехи, отстоящей от частоты гетеродина на
величину fпром симметрично частоте основного сигнала.
Канал приема по промежуточной частоте, канал с частота
помехи fп, совпадающей с промежуточной частотой приемника.
Преселектор – входная цепь и усилитель радиочастоты
приемника.
Тема 2. Показатели качества устройств приема
и обработки сигналов
Чувствительность – способность приемника принимать слабые сигналы.
Помехоустойчивость - способность приемника противостоять действию помех.
Коэффициентом шума приемника называется отношение
полной мощности шума на выходе додетекторного тракта приемника к части этой мощности, которую создает включенный на
вход эквивалент антенны.
Эквивалент антенны - это двухполюсник с усредненными
параметрами антенны, близкими к реальным (вероятным) параметрам антенны.
Шумовой температурой приемника называется величина
эквивалентного повышения температуры эквивалента антенны,
при котором выходная шумовая мощность нешумящего идеального приемника равна выходной шумовой мощности реального
приемника.
Селективностью называется способность радиоприемника
выделять полезный сигнал из спектра электромагнитных колебаний в месте приема.
Односигнальная селективность показывает, во сколько раз
коэффициент усиления приемника для сигнала больше коэффиВ.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
401
циента усиления для помехи при раздельной подаче сигнала и
помехи.
Многосигнальная селективность учитывает нелинейные
эффекты при одновременном действии сигнала и помех.
Стабильностью называется способность приемника обеспечивать в течение определенного достаточно длительного времени прием нужного сигнала без ручных регулировок и без недопустимого ухудшения селективности и чувствительности.
Линейные искажения обусловлены инерционностью элементов приемного тракта и не сопровождаются появлением в
спектре сигнала новых составляющих; они не зависят от входного сигнала и глубины модуляции.
Амплитудные искажения проявляются в изменении амплитуд спектральных составляющих.
Фазовые искажения оцениваются фазочастотной характеристикой (ФЧХ) или характеристикой группового запаздывания.
Нелинейные искажения сопровождаются появлением в
спектре выходного колебания новых составляющих.
Переходная характеристика (ПХ) - по ней исследуется
форма выходного напряжения при подаче на вход усилителя
единичного импульса.
АЧХ называется зависимость амплитуды выходного напряжения приемника от частоты модуляции входного сигнала при
гармоническом законе модуляции и постоянстве всех остальных
параметров приемника.
ФЧХ называется зависимость фазового угла между напряжением на выходе и огибающей модулируемого параметра входного сигнала от частоты модуляции при гармоническом законе
модуляции и постоянстве всех остальных параметров сигнала.
Амплитудной характеристикой называется зависимость амплитуды первой гармоники выходного напряжения от амплитуды изменения модулируемого параметра входного сигнала при
гармоническом законе модуляции и постоянстве всех остальных
параметров сигнала.
Динамическим диапазоном радиоприемника называется отношение максимального входного сигнала в антенне, прием ко-
402
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
торого происходит с допустимыми искажениями, к чувствительности приемника.
Тема 3. Входные цепи радиоприемника
Входная цепь предназначена для селективной передачи сигнала из антенны на вход первого каскада приемника с наименьшими потерями и искажениями.
Резонансная система входной цепи (одиночный колебательный контур или полосовой фильтр) обеспечивает селективность при заданной полосе пропускания.
Элемент связи с антенной имеет разное назначение в зависимости от типа антенны. При работе с настроенной антенной
он обеспечивает согласование по мощности между антенной и
резонансной системой входной цепи. При работе с ненастроенной антенной элемент связи ослабляет влияние изменения параметров антенны на стабильность параметров резонансной
системы.
Коэффициент передачи входной цепи - это отношение вы к ЭДС в антенне E .
ходного напряжения U
A
Варикап – диод, емкость которого зависит от приложенного
к нему запирающего напряжения.
Коэффициент включения контура p - это отношение выходного напряжения к напряжению на контуре (на реактивном
элементе контура).
 0
Относительная расстройка - y 

0 
Резонансный коэффициент передачи (при   0 ):
K ф0 
где d э 
p
 p Qэ ,
dэ
rэ
- эквивалентное затухание контура;

В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
403
rэ  rk  rвн А  rвн сл - эквивалентное сопротивление потерь
колебательного контура, rk - сопротивление потерь контура,
rвн А - сопротивление, вносимое в контур из антенны, rвн сл - сопротивление, вносимое в контур следующим каскадом;
L
1
- характеристическое сопротивление;

 0 L 
C
0C
Коэффициент передачи контура (на любой частоте):
p
   j 0
K
ф
 d э  jy
Модуль комплексного коэффициента передачи контура
равен:
Kф 
0

p
2
d э  y2
.
Селективность контура показывает во сколько раз коэффициент передачи контура для сигнала больше его коэффициента
передачи для помехи
y 
K

Se  c  П 1   П 
K П с
 dэ 
2
Неравномерностью АЧХ в полосе пропускания  понимается отношение максимального коэффициента передачи в полосе пропускания к минимальному на границе полосы пропускания при абсолютной расстройке относительно резонансной частоты контура
 f гр
K
  ф0
K ф гр
или
  
  1   
 f0 d э 
2
Полоса пропускания прямо пропорциональна резонансной
частоте контура, его эквивалентному затуханию и увеличивает404
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
ся с увеличением допустимой неравномерности в полосе пропускания (с уменьшением уровня отсчета полосы, который обратно пропорционален  ).
   f 0 d э 2  1
Оптимальный коэффициент антенной связи (для настроенной антенны), при котором коэффициент передачи входной
цепи максимален, равен
K A0 opt 
dэ 
2 RA
При оптимальном коэффициенте передачи имеет место режим
согласования на входе приемника: затухание, вносимое в контур
из антенны, равно половине его эквивалентного затухания.
Связь с укороченной антенной (для ненастроенной антенны) – состояние, когда собственная длина волны антенны λоА
короче длины волны любого рабочего колебания.
Связь с удлиненной антенной (для ненастроенной антенны)
– состояние, когда собственная длина волны антенны λоА
больше самой длинной волны рабочего диапазона РПУ.
Тема 4. Резонансные усилители радиочастоты
Резонансные усилители предназначены для обеспечения необходимого усиления и частотной селективности радиоприемника.
Невзаимным называется усилительный элемент, в котором
сигнал проходит преимущественно в одном направлении: со
входа на выход, и практически отсутствует его прохождение в
обратном направлении. Невзаимный усилительный элемент является линейным четырехполюсником, который описывается
системой линейных уравнений.
Комплексный коэффициент усиления резонансного усилителя
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
405
  Y
K
21

p1 p 2 ,
d э  jy

  0 - проводимость прямой передачи (кругде Y21  I 2 при U
2

U
1
тизна);
Модуль комплексного коэффициента усиления резонансного усилителя равен

K  Y21
2
d э  y2
p1 p 2
Резонансный коэффициент усиления (при y = 0) резонансного усилителя
K 0  Y21

p1p 2
dэ
или
K0  Y21

2
1
d k  p  g 22  p2 2 g вх сл
p1p2 ,
где выходная проводимость Y22 заменена резистивной проводимостью g22 и выходной емкостью С22, включенными параллельно, а входная проводимость следующего каскада Yвх сл представлена резистивной проводимостью gвх сл и входной емкостью Свх сл , также включенными параллельно. Параллельный
колебательный контур представляется на эквивалентной схеме
параллельно включенными индуктивностью Lk, емкостью Ck и
проводимостью контура при резонансе gk.
Оптимальные коэффициенты включения получаются тогда, когда затухание, вносимое в контур со стороны усилительного элемента равно затуханию, вносимому со стороны входа
следующего каскада
406
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
d э  dk
.
2
r
r
dK  
; - затуха  0  LK
p1opt 2 g 22  p 2opt 2 g вх сл 
где d K 
r
 r   0  C k или

ние контура.
При выполнении этого условия получим
p1opt 
d э  dk
,
2  g 22
p2 opt 
dэ  d k
2  g вх сл
Максимальный коэффициент усиления резонансного усилителя
K 0 max 
Y21
1
dэ  dk
2 g 22 g вх сл d э
Селективность резонансного усилителя
2
где
y 
K
K
Se  c  0  1   п  ,
K п Kfп
 dэ 
f
f
yп  п  c .
fc fп
Полоса пропускания резонансного усилителя определяется
так же, как и полоса пропускания одноконтурной входной цепи
   f 0d э  2  1
Коэффициент устойчивости резонансного усилителя - это
отношение минимального значения эквивалентной проводимости входного колебательного контура при наличии обратной
связи через усилительный прибор к значению этой проводимости при отсутствии обратной связи
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
407
K уст 
где
g э1  g вн min
g э1
1 S C к (p1p 2 ) 2
,
1
2
g э1g э2
g э  g k  p12g 22  p2 2 gвх сл ,
Максимальный коэффициент устойчивого усиления резонансного усилителя
K 0max 
2(1  K уст доп )S
Cк
Каскодное включение усилителей - это включение двух
усилительных приборов, когда выход первого усилительного
прибора гальванически соединяются со входом второго (без
частотнозависимых связей).
Двухкаскадный усилитель с одиночными взаимно расстроенными контурами: резонансные частоты контуров определяются следующими соотношениями
f1  f 0  f 0 ,
f 2  f 0  f 0 ,
где f 0 - средняя частота полосы пропускания усилителя. Эквивалентные затухания контуров d э одинаковы.
Комплексный коэффициент передачи двухкаскадного усилителя с одиночными взаимно расстроенными контурами:
K1,0 K 2,0
K1,0 K 2,0
 K
 K
 
K

1
2
(1  j(   0 ))(1  j(   0 )) (1  j) 2  0 2
где  
2(f  f 0 )
- обобщенная расстройка относительно
f 0d э
средней частоты полосы пропускания,
0 
2 f 0
f 0d э
- пара-
метр расстройки.
Модуль комплексного коэффициента передачи двухкаскадного усилителя с одиночными взаимно расстроенными контурами равен
408
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
K
K1,0 K 2,0
2
2 2
(1    0 )  4
2

K1,0 K 2,0
(1  02  2 )2  402
.
При 0  1 АЧХ усилителя является двугорбой, а при 0  1 одногорбой.
Коэффициент усиления на центральной частоте полосы
пропускания двухкаскадного усилителя с одиночными взаимно
расстроенными контурами (при   0 ):
K0 
K1,0 K 2,0
.
1  0 2
Селективность двухкаскадного усилителя с одиночными
взаимно расстроенными контурами
Se 
где
1  
2
П
 02

2
 4 0 2
1  02
П 
,
2 f П  f 0  .
f0 d Э
Полоса пропускания двухкаскадного усилителя с одиночными взаимно расстроенными контурами
2
П   f 0 d Э  0  1  2 0  2  1
Электромеханический фильтр состоит из двух магнитострикционных преобразователей (МСП) и механических резонаторов с механическими связками. Добротность механических
резонаторов существенно выше добротности электрических резонаторов и составляет Q M  2000..3000 , что обеспечивает более высокую селективность электромеханических фильтров.
Кварцевый фильтр выполняется по мостовой схеме. Плечами моста являются кварцевые резонаторы. Благодаря высокой
добротности кварцевых резонаторов (5..20)  103 усилитель
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
409
имеет относительно узкую полосу пропускания и высокую селективность.
Фильтр на ПАВ представляет собой тонкую пластину из
пьезокерамики, на которой находятся два встречноштыревых
преобразователя (ВШП). Фильтры на ПАВ используют на частотах 30 МГц..3 ГГц. Фильтры на ПАВ имеют ряд достоинств:
можно получать (изменяя закон аподизации) АЧХ не только
прямоугольной формы, но и сложной, несимметричной формы.
Регенеративным усилителем называют устройство, обеспечивающие усиление радиосигнала за счет внесения в контур
отрицательного сопротивления, что соответствует внесению в
цепь дополнительной энергии.
Тема 5. Преобразователи частоты
Преобразователь частоты предназначен для переноса спектра сигнала из одной области частот в другую без изменения
закона модуляции.
Комбинационные составляющие вида nf Г  mf C в выходном токе преобразователя частоты образуются при действии на
его входах колебаний с частотами сигнала f C и гетеродина f Г .
При n  1 преобразование называется простым, при n  1 комбинационным. При f пр  f c  nf г имеет место преобразование без инверсии спектра, при
f пр  nf г  f c - с нверсией
спектра.
Амплитуда выходного тока ПЭ пропорциональна амплитуде
Uс и сохраняется информация о фазе исходного колебания.
Параметры преобразующего элемента как четырехполюсника:
- входной проводимостью преобразующего элемента называется отношение амплитуды входного тока частоты сигнала к
амплитуде входного напряжения сигнала в режиме короткого
замыкания на выходе. Входная проводимость численно равна
постоянной составляющей мгновенной входной проводимости,
изменяющейся во времени под действием напряжения гетеродина
410
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
G вх пр 
Ic
Uc
 G вх 0 .
при U пр  0
- крутизной обратного преобразования называется отношение амплитуды входного тока частоты сигнала к амплитуде
выходного напряжения промежуточной частоты в режиме короткого замыкания на входе. Крутизна обратного преобразования численно равна половине амплитуды n-ой гармоники мгновенной проводимости обратной передачи, изменяющейся во
времени под действием напряжения гетеродина
Sобр 
Ic
1
 G обрn .
Uпр при U 0 2
c
- крутизной преобразования называется отношение амплитуды выходного тока промежуточной частоты к амплитуде
входного напряжения сигнала в режиме короткого замыкания на
выходе. Крутизна преобразования
численно равна половине амплитуды n-ой гармоники мгновенной крутизны, изменяющейся во времени под действием напряжения гетеродина
Sпр 
I пр
U с при Uпр 0
1
 Sn .
2
- выходной проводимостью преобразующего элемента называется отношение амплитуды выходного тока промежуточной
частоты к амплитуде выходного напряжения промежуточной
частоты в режиме короткого замыкания на входе. Выходная
проводимость численно равна постоянной составляющей мгновенной выходной проводимости, изменяющейся во времени под
действием напряжения гетеродина
G вых пр 
I пр
U пр
 G вых 0
при U с  0
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
411
Обратное преобразование является специфическим видом
обратной связи, отличающейся от обратной связи в усилителях.
Ток частоты сигнала, образующийся на входе за счет обратного
преобразования выходного напряжения промежуточной частоты, создает падение напряжения на входной резонансной системе, которое может быть в фазе или в противофазе с напряжением входного сигнала, что соответствует положительной или отрицательной обратной связи.
Частотной характеристикой преобразователя частоты называют зависимость его коэффициента усиления от частоты
сигнала f при неизменной частоте гетеродина:
C
U ПР 

K ПР  U   f (c )
C 

Полезный канал (основной) на частоте fC:
f C  f Г  f ПР ;
Зеркальный (к основному) канал (помеха):
f ЗК  f Г  f ПР ;
Прямой канал (помеха):
f ПР  f Г  f С ;
При двойном преобразовании первая промежуточная частота выбирается достаточно высокой - для ослабления помех по
зеркальному каналу. Вторая промежуточная частота выбирается достаточно низкой для ослабления помех по соседним каналам;
Интерференционные свисты с частотой
FИ  f ПР1  f ПР2  f Г  f C1   f Г  fC 2   f C 2  f C1.
могут быть образованы из-за биения колебаний двух соседних,
близко расположенных станций. Их основная особенность –
независимость от настройки приемника (изменяется только интенсивность свистов).
412
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
«Свисты» - акустические сигналы, образованные за счет продетектированных колебаний
FK  f ПР  f КОМБ 1КГц ,
которые образуются за счет биения двух частот: собственной
от какой-либо мешающей станции, или из-за нелинейности ВАХ преобразователя:
fпром и «паразитной» fпром, полученной
f КОМБ  nf Г  mf C   f ПР ,
Их характерная особенность - они зависят от настройки гетеродина приемника.
«Сопряженная настройка». При работе приемника в диапазоне частот для обеспечения постоянства промежуточной частоты необходимо одновременно перестраивать и входные цепи, и
контур гетеродина. Такая настройка называется «сопряженной».
Кривая сопряжения - зависимость ошибки сопряжения от
частоты. С помощью дополнительных конденсаторов можно
только в 3-х точках диапазона получить полное сопряжение
контуров. Ошибка сопряжения:
f  f Г  f Гидеал  f Г   fC  f ПР 
Диодный резистивный преобразователь частоты применяется в основном на СВЧ, так как имеет самые малые шумы и
очень простую конструкцию.
Резистивный преобразователь - если напряжение гетеродина Uг изменяется преимущественно в области прямого тока и
лишь на часть периода заходит в область iобр, причем в преобразователе применяется диод с малой емкостью. В этом случае
главную роль играет нелинейная резистивность. Это - резистивный преобразователь
Емкостный преобразователь - при наличии источника питания Е напряжение Uг изменяется в основном в отрицательной
области, и применяется диод с относительно большой нелинейной емкостью (варактор). Резистивность проявляется слабо.
Это - емкостный преобразователь.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
413
Тема 6. Амплитудные детекторы
Детектором называют устройство, служащие для создания
напряжения, изменяющегося в соответствии с законом модуляции одного из параметров входного сигнала.
Амплитудный детектор (АД) – это устройство, на выходе
которого создается напряжение, изменяющееся в соответствии
с законом модуляции амплитуды входного гармонического сигнала.
Синхронный (параметрический) детектор. В этом детекторе под действием гетеродина периодически во времени меняется параметр цепи. Наиболее часто этим параметром является
крутизна преобразователя, что характерно для преобразователей
частоты. Основное отличие синхронного детектора от преобразователя частоты является равенство частот гетеродина и сигнала.
Детекторной характеристикой амплитудного детектора называется зависимость приращения постоянного напряжения на
нагрузке детектора, вызванного действием входного сигнала, от
амплитуды напряжения входного немодулированного сигнала.
Коэффициенты передачи детектора (для немодулированного
K д и модулированного K д сигналов):
Kд 
u н 0
,
U вх 0
K д 
U
,
mU вх 0
В режиме детектирования сильного сигнала угол отсечки не
зависит от амплитуды входного сигнала, следовательно, в режиме детектирования сильного сигнала детекторная характеристика диодного детектора линейна, а его коэффициент передачи
равен
K д  cos 
В режиме детектирования слабых сигналов детекторная характеристика квадратична. Коэффициент передачи детектора
414
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
КД 
U
I R
  H  2 A  RH U mo ,
m  U mo m  U mo
т.е. КД зависит от амплитуды несущей сигнала. Так как детектируется слабый сигнал, то КД мал. Из-за этого (КД - мал, КГ велик) режим слабого сигнала практически не используется.
Входное сопротивление последовательного диодного АД
Rвх  0,5  RH
Входное сопротивление параллельного диодного АД
Rвх параллл 
RH
3
Для детектора линейного и безинерционного на выходе АД
без модуляции сильный сигнал подавляет слабый. В присутствии сильного сигнала линейный АД ведет себя по отношению к
слабому как квадратичный детектор:
U  2 K Д U 2
KД2 

 K Д .
U2
4U1
т.е. на выходе АД отношение сигнал/помеха улучшается.
При наличии модуляции подавление слабого сигнала сильным
также присутствует, но оно в два раза ниже.
В инерционном детекторе подавление слабого колебания
сильным не наблюдается.
Пиковый детектор предназначен для детектирования импульсов постоянного тока. Напряжение на его выходе пропорционально пиковому напряжению видеоимпульсов
Тема 7. Амплитудные ограничители
Амплитудный ограничитель предназначен для поддержания
постоянства амплитуды выходного напряжения при изменяющейся амплитуде входного сигнала.
В ограничителях мгновенных значений обеспечиваются
постоянство максимальных либо минимальных значений, либо
тех и других. Особенность данного вида ограничения:
1) Форма напряжения на выходе отличается от входного;
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
415
2) Имеются участки с постоянным напряжением на выходе.
Амплитудные ограничители: напряжение по амплитуде на
выходе ограничителя постоянное, а частота и фаза при ограничении не изменяется. Такие АО, не внося заметных искажений в
частотную и фазовую модуляции, устраняют паразитную амплитудную модуляцию.
Ограничение - нелинейная операция; при этом на выходе
появляются дополнительные гармонические составляющие.
Для их устранения устанавливается фильтр
Амплитудной характеристикой амплитудного ограничителя
(характеристикой ограничения) называется зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды напряжения входного немодулированного сигнала.
Тема 8. Детекторы угловой модуляции
Фазовый детектор предназначен для формирования выходного сигнала, повторяющего закон изменения фазового сдвига
входного сигнала относительно опорного колебания.
Детекторной характеристикой фазового детектора называется зависимость приращения постоянного напряжения на нагрузке, вызванного действием входного сигнала, от фазового
сдвига между входным немодулированным сигналом и опорным
колебанием, частота которого равна частоте входного сигнала.
Особенностью детекторной характеристики фазового детектора
является ее периодичность. Период характеристики равен 2 .
Тема 9. Частотные детекторы
Частотный детектор предназначен для получения выходного сигнала, повторяющего закон изменения частоты входного
сигнала.
Демодулятор ЧМ – колебаний - демодулятор должен реагировать на сигнал сложной формы.
416
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Частотный дискриминатор системы АПЧ - дискриминатор
должен вырабатывать реакцию на несущую (синусоиду) при
отклонениях ее частоты от номинальной.
Детекторной характеристикой частотного детектора называется зависимость приращения постоянного напряжения на
нагрузке, вызванного действием входного сигнала, от отклонения частоты входного сигнала от ее среднего значения.
Крутизной называется производная детекторной характеристики, определенная в начале координат
Sчд 
d( u н )
d( f ) при f 0
Раствором детекторной характеристики  р называется
интервал частот между двумя экстремальными точками детекторной характеристики.
Тема 10. Регулировки в радиоприемнике
Ручная регулировка, как правило, применяется при изготовлении и первичной настройке исходных показателей РПУ.
Автоматическая регулировка применяется для поддержки
показателей РПУ на требуемом уровне в процессе эксплуатации.
Система АРУ предназначена для обеспечения малых изменений уровня сигнала на выходе додетекторного тракта приемника при больших изменениях уровня сигнала на его входе.
Коэффициентом регулирования усиления
U вх max
U вых max
m
где
m
, n
p
Uвх min
U вых min
n
Обратная АРУ. В этой схеме регулирующее напряжение получается путем детектирования и последующей фильтрации выходного напряжения регулируемого тракта.
Прямая АРУ. В этой схеме регулирующее напряжение пропорционально амплитуде несущей на входе регулируемого
тракта.
Смешанная (комбинированная) АРУ Регулирующее напряжение Uрег1 осуществляет обратную регулировку усиления
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
417
К1 . Далее напряжение U используют для прямой регулировки
усиления К2. При этом обеспечивается высокое качество регулирования.
Режимная АРУ. Усиление каскада (АРУ) можно изменять:
- за счет изменения режима работы каскада по постоянному току,
- изменением эквивалентного сопротивления нагрузки,
- изменением коэффициентов включения p и q,
- изменением глубины отрицательной обратной связи,
- изменением параметров цепей, специально включаемых для целей регулировки.
Характеристикой регулирования системы АРУ называется
зависимость амплитуды несущей выходного напряжения регулируемого тракта от амплитуды несущей входного напряжения.
Регулировка полосы пропускания в радиовещательных
РПУ осуществляется, как правило, для ослабления помех и для
изменения тембра звучания.
Стабилизаторы частоты с кварцевой стабилизацией применяют для компенсации дестабилизирующих факторов частоты гетеродина.
Схемы автоматической подстройки частоты (АПЧ) применяют для РПУ с плавной настройкой.
Автоматическая подстройка частоты (АПЧ) предназначена
для предотвращения ухода частоты сигнала за пределы полосы
пропускания селективного тракта приемника
АПЧ по промежуточной частоте. Промежуточная частота
fпром. сравнивается с частотой, при которой выходное напряжение частотного детектора (дискриминатора) равно нулю и
которая соответствует fпром.
АПЧ по частоте гетеродина. Частота гетеродина fг сравнивается с частотой стабильного опорного генератора fог .
Основное уравнение системы АПЧ можно записать в следующем виде
f Pост  f Pнач  f У
418
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
где  f ПРнач   f нач   f C - начальное отклонение промежуточной частоты; ∆fгу – отклонение частоты гетеродина, создаваемое управителем частоты гетеродина;
Характеристикой регулирования системы АПЧ называется зависимость остаточного отклонения частоты при замкнутом
кольце АПЧ после завершения переходных процессов от начального отклонения частоты при разомкнутом кольце АПЧ.
Коэффициент автоподстройки частоты показывает, во
сколько раз остаточное отклонение частоты меньше начального.
Таким образом, коэффициент автоподстройки равен
K АПЧ  1  SуSчд .
Коэффициент автоподстройки характеризует эффективность
АПЧ.
Полоса удержания АПЧ - удвоенное значение начального
отклонения частоты, при котором система выходит из состояния автоподстройки
f уд .
Полоса захвата АПЧ - удвоенное значение начального отклонения частоты, при котором система входит в состояние автоподстройки f з .
ФАПЧ. Отличие построения системы ФАПЧ от системы
ЧАПЧ состоит в том, что вместо частотного дискриминатора в
ней используется фазовый с опорным генератором, настроенным на номинальное значение промежуточной частоты.
Фазовый детектор вырабатывает регулирующее напряжение,
которое зависит от фазового сдвига выходного сигнала УПЧ
относительно опорного сигнала. Фазовый сдвиг зависит от постоянного начального фазового сдвига  0 и фазового сдвига,
обусловленного остаточным отклонением частоты.
Фазовый портрет системы ФАПЧ - зависимость первой
производной мгновенной фазы
d
от ее значения  .
dt
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
419
Характеристика регулирования системы ФАПЧ. Система
выходит из состояния автоподстройки при  нач  2  Sу U .
При наличии ФНЧ для вхождения системы в состояние автоподстройки необходимо, чтобы начальное отклонение было
меньше граничной частоты полосы пропускания фильтра, поэтому полоса захвата системы меньше полосы удержания.
Тема 11. Радиоприем непрерывных сигналов
Радиоприемник АМ сигналов с двумя боковыми полосами
применяется в основном для приема радиовещания в диапазонах
ДВ, СВ и КВ. В системах связи – в основном применяется АМ
телефония с ОБП.
Радиоприемник ЧМ сигналов используется в УКВдиапазоне для приема звукового и телевизионного вещания и
для организации связи в системах наземной, космической, спутниковой, радиорелейной и тропосферной связи.
Многоканальные РПУ - радиорелейные, радиотелеметрические, телевизионные РПУ (с частотным разделением каналов;
с временным разделением каналов и др.).
При прохождении АМ сигнала через частотноизбирательную систему радиоприемника, если АЧХ и ФЧХ
тракта симметричны относительно частоты несущей, коэффициент глубины модуляции выходного сигнала тракта отличается
от коэффициента модуляции сигнала на его входе (уменьшается). При АЧХ с провалом на частоте несущей возможно увеличение коэффициента глубины модуляции вплоть до перемодуляции. Если АЧХ асимметрична относительно частоты несущей,
возникают нелинейные искажения выходного сигнала детектора.
Взаимодействие сигнала и синусоидальной помехи при
детектировании. Если детектор инерционен по отношению к
частоте биений  Б , на выходе детектор воспроизводит помеху
и сигнал без изменения их соотношения. Если детектор безинерционен для самой верхней частоты Б , то АД обладает
420
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
свойствами селективности. Если Uсо > Uпо, то при m П  mC
помеха на выходе слабее сигнала.
Отношение сигнал/шум на выходе при стопроцентной модуляции равно отношению сигнал/шум на входе.
При ОБП модуляции передается только одна боковая и исключается из спектра несущая частота, Сущность однополосной
модуляции состоит в переносе спектра модулирующего сигнала.
Прохождение ЧМ сигнала через селективный тракт приемника.
При  f max  Fmax модуляция называется широкополосной;
Для широкополосной модуляции считают ширину спектра равной  2 f max . При f max  Fmax – это узкополосная модуляция.
При изменении отклонения частоты по косинусоидальному
закону из-за неидеальности АЧХ селективного тракта его коэффициент передачи изменяется во времени с удвоенной частотой модуляции. Это приводит к нелинейным искажениям сигнала на выходе частотного детектора.
Из-за нелинейности ФЧХ появляется третья гармоника отклонения частоты ЧМ сигнала от среднего значения, что приводит к
нелинейным искажениям сигнала на выходе частотного детектора.
Действие синусоидальной помехи на приемник частотной
модуляции. Отношение помеха / сигнал увеличивается при увеличении частоты биений. Однако при частоте биений, превышающей максимальную частоту модуляции Fmax, помеху можно ослабить с помощью ФНЧ. Минимальное отношение сигнал/помеха на выходе ЧД в  (индекс модуляции) раз больше,
чем на его входе, т.е. имеет место выигрыш в отношении сигнал/помеха.
Действие флуктуационной помехи на приемник частотной модуляции. Отношение сигнал шум на выходе тем больше
отношения сигнал/шум на входе, чем больше индекс частотной
модуляции.
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
421
Тема 12. Радиоприем дискретных сигналов
Радиотелеграфные РПУ предназначены для приема дискретных сигналов, имеющих ограниченное число значений. К
таким сигналам можно отнести двоичные сигналы, которые могут принимать одно из двух значений: нуль или единицу, быть
отрицательными или положительными. Отличительной особенностью радиотелеграфной передачи является кодирование сообщения.
При амплитудной манипуляции (АТ) - амплитудном телеграфировании - один элементарный символ кода соответствует
излучению полной мощности (посылки), а другой - отсутствию
излучения (пауза). Этот вид работы обозначают А1.
Амплитудная манипуляция тонального сигнала с последующей амплитудной модуляцией колебания несущей частоты. Этот вид работы удобен при слуховом приеме телеграфных сигналов (вид А2).
Радиоприем сигналов частотной манипуляции.
Передаваемый сигнал представляет собой последовательность
элементарных посылок позитива и негатива длительностью
 0 . Сущность частотной манипуляции состоит в формировании
синусоидального колебания частоты позитива f ПОЗ при передаче
посылки позитива и синусоидального колебания частоты негатива f НЕГ при передаче посылки негатива. Этот вид работы обозначается F1.
Сдвигом частот называется разность частот позитива и негатива
FСДВ  f ПОЗ  f НЕГ
Скорость изменения частоты сигнала в процессе манипуляции называется скоростью манипуляции. Скорость манипуляции равна
v
422
1
0
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
Частотная манипуляция называется минимальной, если
сдвиг частот равен частоте манипуляции
FСДВ  FM
Достоинством сигнала минимальной частотной манипуляции
(МЧМ, MSK - Minimum Shift Keying) является относительно
узкий спектр, позволяющий разместить в ограниченном частотном диапазоне большее количество каналов с частотным разделением.
При фазовой манипуляции происходит скачкообразное изменение фазы колебаний в соответствии с передаваемой последовательностью импульсов телеграфного сигнала. При приеме
начало отсчета должно быть "привязано" к началу посылки "позитива" или "негатива".
Фазоразностная манипуляция (относительная фазовая манипуляция) отличается от фазовой тем, что информация заложена не в абсолютной разности фаз между сигналом и опорным
колебанием, а в разности фаз между текущей посылкой сигнала
и предыдущей.
Тема 13. Радиоприём широкополосных
(шумоподобных) сигналов
Широкополосная система - это система, передаваемый сигнал которой занимает полосу частот, значительно превосходящую ту минимальную полосу частот, которая фактически требуется для передачи информации.
Системе с расширением спектра методом прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS). Сигнал принимается только тогда, когда код РПУ совпадает с кодом
РПДУ, т.е. на одной и той же частоте может быть передано несколько сигналов, а селекция может быть осуществлена на основе кодового разделения и его определения на приёмной стороне. Отсутствие «несущей» при использовании БМ затрудняет
процесс обнаружения и требует очень сложных способов обработки (для противника).
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
423
Системе с расширением спектра методом скачкообразного изменения частоты - способ модуляции, заключающийся
в скачкообразном изменении частоты сигнала, более точно следовало бы назвать многочастотной кодовой манипуляцией. При
многочастотной манипуляции используют до 220 дискретных
частот, каждая из которых выбирается случайным образом в
соответствии с применяемым кодом и передаваемой информацией. Принимаемый сигнал со скачкообразным изменением частоты смешивается с сигналом ПСП (псевдослучайная последовательность), отличающимся от исходного на fпромеж, и после перемножения
{f1,f2,f3…fn}х{f1+fпч;f2+fпч…fn+fпч}
получаем исходные частоты, соответствующие передаваемой
информации, а затем и исходный сигнал, соответствующий передаваемому.
424
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
УДК 621.396.62
Галочкин В.А.
Устройства приема и обработки сигналов. Учебное пособие
(конспект лекций) - Самара: ФГОБУ ВПО ПГУТИ, 2015г - 425 с
ISBN 978-5-904029-40-1
Федеральное государственное образовательное бюджетное
учреждение высшего профессионального образования
“Поволжский государственный университет
телекоммуникаций и информатики”
443010, г. Самара, ул. Льва Толстого 23
_____________________________________________________________
Подписано в печать 10.04.14 г. Формат 60 х 84/16
Бумага офсетная №1. Гарнитура Таймс.
Заказ 1000737. Печать оперативная. Усл. печ. л. 24,33. Тираж 100 экз.
_____________________________________________________________
Отпечатано в издательстве учебной и научной литературы
Поволжского государственного университета
телекоммуникаций и информатики
443090, г. Самара, Московское шоссе 77, т. (846) 228-00-44
В.А.Галочкин
Устройства приема и обработки сигналов
425
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
13
Размер файла
7 320 Кб
Теги
galotshkin, konspekt, signalov, ustrojstvo, lekcii, priema, obrabotka
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа