Общие сведения по построению схем устройств приема и обработки сигналов различного назначения

Назначение радиоприемных устройств, вид принимаемого радиосигнала, предъявляемых технических требований определяют состав радиоприемного устройства. Основной состав радиоприемного устройства определяется типом и количеством избирательных систем и усилительных приборов. Вид модуляции принимаемого сигнала, уровень требований к точности воспроизведения закона модуляции определяют ширину полосы пропускания радиоприемного устройства. Структурная схема радиоприемного устройства (рис. 2.2) представляет собой сочетание и комбинацию линейных и нелинейных цепей. Линейными цепями являются входная цепь и усилитель радиочастоты для приемников прямого усиления; входная цепь, усилитель радиочастоты, смеситель, усилитель промежуточной частоты в супергетеродинных радиоприемниках.

Радиоприемные устройства, состоящие из линейных цепей до детектора, в инженерной практике называют линейным трактом. Выход высокочастотного тракта радиоприемника связан с детектором, в котором используются линейные цепи с переменными параметрами или нелинейные цепи. Моделирующее колебание, выделенное на выходе детектора, воздействует на линейные низкочастотные цепи (УНЧ) радиоприемного устройства. Такая особенность радиоприемников требует согласования величины полос пропускания высокочастотного и низкочастотного трактов с эффективной шириной спектра принимаемого радиосигнала и модулирующего колебания на выходе детектора.

Для обеспечения необходимого качества работы оконечных устройств требуется обеспечение минимального отношения сигнал/шум на выходе радиоприемного устройства. Для различного вида модуляции радиосигнала это отношение различно и характеризуется зависимостью отношения сигнал/шум на входе и выходе радиоприемного устройства (рис. 3.1) [13]. Для сигналов АМ и узкополосных ЧМ и ФМ сигналов (b = 1) полоса пропускания линейного тракта радиоприемного устройства равна 6 кГц, для широкополосных ЧМ и ФМ сигналов – 30 кГц. Из графика (рис. 3.1) следует, что наибольший выигрыш в отношении сигнал/шум имеет частотно-модулированный радиосигнал с индексом больше 1.

Минимальные допустимые отношения сигнал/шум и динамический диапазон на входе для различных типов приемников представлены в таблице 3.1 [3, 5, 6, 12].

Рис. 3.1 - Зависимости отношения сигнал/шум в радиоприемных устройствах (1 – АМ сигнал; 2 – ЧМ и ФМ при b = 1; 3 – ЧМ и ФМ при b = 5; 4 – АМ-ОБ)

Таблица 3.1 - Динамический диапазон на входе и минимальное отношение сигнал/шум на выходе радиоприемных устройств

Назначение	Вид модуляции	Отношение сигнал/шум на выходе, gвых., раз	Динамический диапазон на входе, дБ
Звуковое вещание	АМ	10…20
ЧМ	1,5…2,0	60 – 70
Телевизионное вещание	Изображение	АМ – ОБ	10…20	70 – 80
Звук	ЧМ	2,0…2,5	70 – 80
Связные	Пейджинговые	Частотная манипуляция	2,5…3	60 – 70
Окончание табл. 3.1 Телефония	Частотная манипуляция	3…5	60 – 70
Служебная и любительская	АМ	5…10	60 – 70
ЧМ	2…3	60 – 70
Радиолокационные и навигационные	РЛС обнаружения	Радиоимпульсная	1,5…2	90 – 100
РЛС измерения координат цели и сопровождения	Радиоимпульсная	2…5	80 – 90
Панорамные	Любая	2,5…5,0	70 – 80
Телеуправление	Частотная манипуляция	5…20	60 – 70

Качество радиоприемников звукового вещания характеризуется также и зависимостью разборчивости речевого сигнала от уровня шумов на его выходе (рис. 3.2) [13]. Удовлетворительная разборчивость при приеме телеграфных сообщений и сеансах радиосвязи обеспечивается при 50%.

Рис. 3.2 - Зависимость разборчивости речевого сигнала
от отношения сигнал/шум на выходе

Важной характеристикой радиоприемного устройства, влияющей на его чувствительность, является полоса пропускания. Полоса пропускания линейного тракта радиоприемных устройств определяется выражением

(3.1)

где – эффективная ширина спектра;

– доплеровское смещение частоты сигнала;

– запас полосы пропускания, обусловленной нестабильностью и неточностью настройки радиоприемного устройства.

Доплеровское смещение частоты сигналов, принимаемых от передатчика, который перемещается относительно приемника с радиальной скоростью, определяется выражением

, (3.2)

где – радиальная скорость перемещения источника радиосигналов;

м/сек – скорость распространения радиоволн.

Величина определяется выражением

(3.3)

где – нестабильность принимаемого радиосигнала;

– нестабильность частоты гетеродина (для супергетеродинных радиоприемных устройств);

– нестабильность частоты настройки высокочастотной части радиоприемного тракта;

– нестабильность частоты настройки усилителя промежуточной частоты (для супергетеродинных радиоприемных устройств);

– относительная нестабильность сигнала, гетеродина, настройки высокочастотной части и УПЧ соответственно.

Относительная нестабильность генераторных схем определяется отношением .

Для приемников с двойным преобразованием частоты и первым перестраиваемым гетеродином

, (3.4)

где f_Г1 и f_Г2 – частота первого и второго гетеродина соответственно.

Если в приемнике с двойным преобразованием частоты применен генератор частоты, при верхней настройке первого гетеродина и разностных преобразованиях частоты

, (3.5)

где m₁ и m₂ – номера гармоник опорного генератора, используемых для получения колебаний первого и второго гетеродинов соответственно;

- относительная нестабильность частоты опорного генератора.

При выборе схемы уменьшения нестабильности следует учесть, что однокаскадную кварцевую стабилизацию можно применять до частот 100…150 МГц, а без кварцевой стабилизации – на частотах не выше 500 МГц. При транзисторной многокаскадной стабилизации с умножением частоты и кварцевой стабилизацией возможно до частот 10 ГГц. Генераторы, выполненные на туннельных диодах, используются на частотах от 0,5 до 100 ГГц, а на отражательных клистронах – на частотах от 3 ГГц до 50 ГГц. Увеличение мер по стабилизации частоты в радиоприемных устройствах требуется при реализации высокой чувствительности за счет уменьшения полосы пропускания. При увеличении запаса по полосе пропускания величина нестабильности может быть уменьшена. При настройке радиоприемника нестабильность гетеродина может быть скомпенсирована до нуля.

Значения относительных нестабильностей генераторных схем, обеспечивающие работу радиоаппаратуры, представлены в таблице 3.2. Если необходимая полоса пропускания существенно больше эффективной ширины спектра, то необходимо использовать сложные схемы стабилизации, синтезаторы частоты или систему автоматической подстройки частоты (АПЧ).

Полоса пропускания линейного тракта радиоприемника с АПЧ

, (3.6)

где – коэффициент автоматической подстройки частоты.

Для устойчивой работы системы АПЧ обычно выбирают коэффициент = 15…20, причем верхняя граница значений соответствует сложным системам АПЧ.

Таблица 3.2 - Относительная нестабильность генераторных схем

Тип источника нестабильности	Относительная нестабильность
ниже 30 МГц	выше 30 МГц
Транзисторный	Однокаскадная стабилизация	Многодиапазонный с плавной перестройкой	10–3 – 10–4	10–2 – 10–3
Однодиапозонный с плавной перестройкой	10–4 – 10–5	10–2 – 10–3–
Однодиапозонный без перестройки	10–5	10–3 – 10–4
Переключаемый с кварцевой стабилизацией	10–5	-
Непереключаемый с кварцевой стабилизацией и одинарным термостатированием	10–6	-
Непереключаемый с кварцевой стабилизацией и двойным термостатированием	10–7 – 10–8
Непереключаемый многокаскадный с умножением частоты и кварцевой стабилизацией	10–6 – 10–7	10–5 – 10–6
На туннельном диоде	–	10–4 – 10–5
На отражательном клистроне	–	10–3 – 10–6
Синтезатор частоты с опорным кварцевым генератором	10–7 – 10–8	10–6 – 10–7
Синтезатор частоты с опорным молекулярным генератором	10–10	-

При использовании фазовой автоматической подстройки частоты можно принять .

Необходимая полоса пропускания высокочастотного перестраиваемого тракта диапазонного супергетеродинного радиоприемного устройства ДВ, СВ, КВ и УКВ диапазонов без АПЧ

, (3.7)

где – запас на неточность сопряжения настроек контуров тракта высокой частоты и гетеродина.

Для радиоприемного устройства с системой АПЧ

. (3.8)

Полоса пропускания неперестраиваемого тракта радиоприемного устройства равна интервалу частот диапазона или поддиапазона.

При выборе вида структурной схемы радиоприемного устройства необходимо учитывать особенности электромагнитной обстановки в диапазоне принимаемых волн, а также физическую реализуемость избирательных цепей и систем (таблица 3.3).

Таблица 3.3 - Реализуемые технические характеристики радиоприемников

Параметр или характеристика	Вид структурной схемы
Прямого усиления	Сверхрегенеративная	Супергетеродинная
Минимальная осуществимая полоса пропускания
Коэффициент прямоугольности
- ослабление на 20 дБ	3…10	5…30	1,5…2,2
- ослабление на 40 дБ	5…100	50…100	1,7…2,5
Чувствительность
- на ДВ, мкВ	100…1000	2…5	0,2…1
- на СВ, мкВ	100…1000	2…5	0,5…1,5
- на КВ, мкВ	200…1000	3…10	1…5
- на метровых волнах, мкВ	400…2000	5…50	2…10
- на дециметровых и сантиметровых волнах, мкВт	10–4 – 10–2	10–5 – 10–2	10– 8 – 10–6
Стабильность работы	Хорошая	Посредственная	Хорошая
Уровень искажений	Малый	Очень большой	Очень малый

 

Расчет коэффициента передачи радиоприемного устройства и выбор средств усиления принимаемого радиосигнала производят на поздних стадиях расчета структурной схемы радиоприемного устройства после расчета чувствительности, определения динамического диапазона и оценки уровня выходного сигнала.