Характеристики параметры ЭМС РПУ

Радиоприемники (РПУ) оцениваются параметрами ЭМС РЭС по четырем группам, которые характеризуют:

- частотную избирательность РПУ, определяемую односигнальными методами (по основному и побочным каналам приема);

- частотную избирательность РПУ, определяемую многосигнальными методами (по внеполосным и побочным каналам приема; блокированию);

- восприимчивость РПУ к ИРП (излучаемым и кондуктивным);

- ИРП, создаваемые РПУ (излучаемые и кондуктивные).

Важнейшими характеристиками РПУ являются чувствительность (receiver sensitivity), определяющая способность РПУ обеспечивать прием по основному каналу полезных сигналов с заданным качеством (соответствующим нормативной величине отношения «сигнал/шум» на выходе) при отсутствии помех и восприимчивость (susceptibility) к помехам по внеполосным и побочным каналам приема, характеризуемая более сложным, но близким по сути образом. В схематическом виде частотную характеристику U( f ) чувствительности и восприимчивости РПУ по основному, внеполосным и побочным каналам приема демонстрирует рис. 1.3.

U( f )

 

1

 

 

3

5 5 6 4

2 6

f_пр f_сб1 f_сб2 f_н f_зк f_им1 f_к f_им2 f

Рис. 1.3. Основной, внеполосные и побочные каналы приема,

для которых определяются характеристики ЭМС РПУ

Основной канал приема 1 (fundamental cannel) на рис. 1.3 соответствует частоте настройки РПУ f_н и, помимо чувствительности U_н , характеризуется следующими параметрами: динамический диапазон D_н; полоса пропускания Δf_пр , отклонение (нестабильность) частоты настройки Δf_н , коэффициент прямоугольности, отношение «сигнал/шум» на выходе РПУ.

Побочные каналы приема (spurious response) имеют фиксированные значения частот при фиксированной настройке РПУ на частоту f_н: на рис. 1.3 к ним относятся канал приема 2 на промежуточной частоте РПУ f_пр ; зеркальный канал 3 на частоте f_зк ; комбинационный канал приема 4 на частоте f_к и каналы приема 5 на субгармониках f_сб1 и f_сб2 частоты настройки РПУ f_н . Побочные каналы приема характеризуются динамическим диапазоном D_пб , восприимчивостью U_пб и частотой f_пб.

Внеполосные каналы приема (out-of-band cannel) при фиксированной настройке РПУ на частоту f_н возникают на частотах, значения которых зависят от частоты мешающего сигнала (например, взаимной помехи от других РЭС и ВКЧ устройств). На схеме рис. 1.3 этому соответствуют интермодуляционные каналы приема 6 на частотах f_им1 и f_им2 . Параметры внеполосных каналов РПУ отражают их восприимчивость, а также динамические и частотные свойства.

Оценка параметров ЭМС, характеризующих односигнальную частотную избирательность РПУ, производится при малых уровнях полезного сигнала и помех, в линейном (или близком к линейному) режиме работы тракта приема. На вход РПУ при этом подается сигнал с переменной частотой f , значения которой должны соответствовать всем возможным каналам приема: как основному, так и побочным.

Многосигнальную частотную избирательность РПУ, напротив, необходимо оценивать в более трудных условиях, соответствующих воздействию интенсивных радиопомех и переходу тракта приема в нелинейный режим. В данном случае на вход РПУ наряду с сигналом, имеющим частоту настройки f_н , необходимо подавать сигналы с частотами, соответствующими возможным взаимным помехам. Поскольку при этом число потенциально возможных внеполосных каналов приема бесконечно велико и проверить их все нереально (да и необходимости в этом нет), разработчиками и производителями РПУ определяется методика контроля (сертификации) параметров ЭМС, которая предусматривает четкую процедуру проверки с указанием периодичности, перечня измерительных средств, числа и параметров (форма, уровни, номиналы частот) используемых тестовых сигналов. В процессе эксплуатации или сертификации РПУ достаточно проводить предписанные (ограниченные по объему и времени) контрольные измерения и сравнивать полученные результаты с первоначальными – с тем, чтобы дать заключение о соответствии текущих параметров ЭМС РПУ их первоначальным паспортным значениям. Однако таким путем проверяется только исправность РПУ, но не его способность обеспечивать ЭМС РЭС в реальных условиях, – особенно если ЭМО характеризуется наличием интенсивных внешних (взаимных, индустриальных) помех.

Применительно к основному каналу приема различают пороговую и реальную чувствительность РПУ. Пороговая чувствительность (ultimate sensitivity) определяется минимальным уровнем радиосигнала на входе РПУ U_н (измеренным в мкВ; мкВт/см²; дБм; дБВт) при равных уровнях сигнала и шума на выходе (отношение «сигнал/шум» Q_вых = 1). Реальная чувствительность (real sensitivity) соответствует минимальному уровню сигнала на входе РПУ, при котором обеспечиваются номинальная мощность сигнала на его выходе и заданное значение Q_вых . Линейность основного канала при отсутствии помех оценивает динамический диапазон (dynamic range), численно равный D_н = А_макс (f_н)/А_мин (f_н), где А_макс (f_н) и А_мин (f_н) – соответственно, максимальное и минимальное значения амплитуды сигнала на входе РПУ на частоте настройки f_н , при которых коэффициент нелинейных искажений K_ни и отношение «сигнал/шум» на выходе РПУ Q_вых соответствуют своим нормативным значениям.

Частотную избирательность основного канала характеризует полоса пропускания (passband) Δf_пр = f₂ – f₁= НШПЧ + 2 (Δf_РПД + Δf_РПУ), где f₁ и f₂– границы области амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) коэффициента усиления РПУ по уровню –3 дБ; Δf_РПД и Δf_РПУ – отклонения частоты Δf_н , которые характеризуют нестабильность частоты, соответственно, РПД и РПУ. В графическом виде избирательность РПУ по основному каналу иллюстрирует рис. 1.4.

Идеальная форма АЧХ селективного тракта основного канала приема РПУ соответствует прямоугольнику, поэтому степень отличия реальной S ( f ) от идеальной формы характеризует коэффициент прямоугольности K_X = Δf_Х / Δf_н , где Δf_Х и Δf_н – соответственно, ширина полосы пропускания АЧХ по уровню –Х дБ и –3 дБ (см. рис. 1.4). Согласно [1.9-1.10] для Х = 60 дБ избирательность большинства РПУ считается нормальной при K₆₀= 2 ... 4 и неудовлетворительной при K₆₀≥ 8.

 

S ( f ); дБ

Δf_Х

 

Δ f_н

 

–Х дБ

–3 дБ

f_н f

Рис. 1.4. Характеристики частотной избирательности основного

канала приема РПУ: полоса пропускания Δ f_н и полоса частот Δf_Х

Побочные каналы приема находятся за пределами полосы пропускания Δf_н основного канала (см. рис. 1.3), их появление в супергетеродинных РПУ обусловлено превышением уровнем мощной помехи с частотой f_пб селективных возможностей тракта приема и нелинейностью процесса преобразования частоты в смесителе РПУ – на выходе которого образуются продукты суммарно-разностного преобразования частоты настройки РПУ f_н с частотой гетеродина f_г и f_пб.

Условие прохождения помехи в тракт промежуточной частоты f_ПЧ с полосой пропускания Δ f_ПЧ представляет собой ׀ n f_пб m f_г ׀ = f_ПЧ Δ f_ПЧ /2 , где n; m = 0; 1; 2 ... (это соотношение обобщает условие прохождения сигнала с частотой f_н вида ׀ f_н f_г ׀ = f_ПЧ ). Величина N = ׀n ׀+ ׀m׀ называется порядком побочного канала, частоты побочных каналов приема определяются как f_пб = ׀ f_ПЧ m f_г /n׀ .

return false">ссылка скрыта

При верхней настройке гетеродина (f_г > f_н ) и разностной промежуточной частоте ( f_ПЧ = f_г – f_н ) отсюда следуют частоты показанных а рис. 4.3 побочных каналов приема:

- канал приема на промежуточной частоте 2 с частотой f_пр = f_ПЧ при n = 1; m = 0, который образуется вследствие недостаточной избирательности преселектора РПУ;

- канал приема на зеркальной частоте 3 с частотой f_зк = f_г + f_ПЧ = 2 f_н + f_ПЧ при n = 1; m = 1, который также образуется вследствие недостаточного ослабления преселектором РПУ мощной помехи;

- комбинационные каналы приема 4 на гармониках гетеродина с частотами 2 f_г f_ПЧ.; 3 f_г f_ПЧ , имеющие частоту f_к = m f_г f_ПЧ , при n = 1; m = 2; 3 ... ;

- нелинейные каналы приема, которые появляются на частотах f_пб = (m f_г f_ПЧ )/n , при n ; m = 2; 3 ... , если уровень сигнала f_н настолько велик, что на выходе смесителя РПУ образуются его гармоники, соответствующие n > 1 (на практике n ≤ 3).

Избирательность РПУ от помех характеризует динамический диапазон по побочному каналу D_пб = А_макс (f_пб)/А_мин (f_н), где А_макс (f_пб) – максимальная амплитуда помехи на частоте побочного канала f_пб ; А_мин (f_н) – по-прежнему минимальная амплитуда сигнала на входе РПУ на частоте настройки f_н , при которых отношение «сигнал /(шум + помеха)» на выходе РПУ Q_вых соответствуют нормативному значению. Восприимчивость по побочному каналу U_пб измеряемая в тех же единицах, что и чувствительность РПУ(мкВ; дБм и др.), зависит от степени ослабления помехи преселектором и вида нелинейности смесителя. С ростом порядка побочного канала снижается, наиболее опасными являются помехи, близкие по частоте к f_н , поскольку они хуже других ослабляются в преселекторе и тракте промежуточной частоты (зеркальный канал, канал промежуточной частоты). Пороговая восприимчивость по побочным каналам имеет значительный разброс, поэтому для ее моделирования применяются статистические методы [1.10; 1.20].

Многосигнальная частотная избирательность характеризует способность РПУ выделять полезный сигнал на фоне интенсивных внешних помех, негативное влияние которых на РЭС сопровождается нелинейными эффектами блокирования, перекрестных и интермодуляционных искажений, вторичной модуляции сигнала в основном канале приема, а также образованием внеполосных каналов приема. С увеличением числа и уровней внешних помех показанная на рис. 4.3 АЧХ S ( f ) существенно расширяется: как по уровню –3 дБ; так и по другим уровням –Х дБ, что ведет к росту коэффициента прямоугольности K_X, ухудшению избирательных свойств и снижению эффективности РПУ как элемента ТС в составе ИКС.

Эффект блокирования проявляется в уменьшении амплитуды сигнала на выходе РПУ и, соответственно, значения Q_вых , в результате воздействия мощной помехи на входные ВКЧ каскады (усилители, смеситель) РПУ. Средняя крутизна вольтамперной характеристики активного элемента под воздействием помехи снижается, указанные каскады переходят в нелинейный режим работы и качество приема быстро падает. Характеристика частотной избирательности по блокированию определяется двухсигнальным методом и представляет собой АЧХ помехи А_бк( f ) на входе РПУ при одновременном приеме сигнала f_н и уменьшении его амплитуды на выходе А_вых ( f ) за счет эффекта блокирования на заданную величину Δ А_вых.

Эффект блокирования и определение коэффициента блокирования K_бк на текущей частоте f иллюстрирует рис. 1.5. Уровень помехи А_бк1 приводит к уменьшению уровня выходного сигнала на величину Δ А_вых1= А_макс – А_вых1 , уровень А_бк2 – на величину Δ А_вых2= А_макс – А_вых2 и т.д. Коэффициент блокирования K_бк = Δ А_вых / А_макс = 1 – (А_вых / А_макс), где максимальный уровень выходного сигнала РПУ А_макс соответствует отсутствию помехи ( А_бк = 0), и, поскольку с ростом уровня помехи А_бк имеет место А_вых ( f ) ≤ А_макс , то и K_бк ( f ) ≥ 0 (согласно [1.10; 1.20], для большинства РПУ считается допустимым K_бк ≤ 0,1).

 

А_вых ( f )

 

А_макс

Δ А_вых1

А_вых2 Δ А_вых2

А_вых1

 

А_бк1 А_бк2 А_бк ( f )

Рис. 1.5. К определению характеристики частотной избирательности

РПУ по блокированию А_бк ( f ) и коэффициента блокирования K_бк

Полоса частот, в которой наблюдается эффект блокирования, называется полосой блокирования РПУ – она располагается вне полосы пропускания тракта промежуточной частоты и полос частот побочных каналов приема. Динамический диапазон по блокированию определяется как отношение значения характеристики частотной избирательности по блокированию при заданной частоте f к чувствительности РПУ: D_бк = А_бк ( f )/А_мин (f_н) при заданном значении K_бк . Уровень восприимчивости по блокированию определяется как минимальный уровень помехи А_бк на входе РПУ на заданной частоте f, при котором K_бк равен заданному значению [1.9]. Для снижения восприимчивости по блокированию рекомендуется повышать избирательность входных цепей РПУ и применять в них активные элементы с малой нелинейностью.

Нелинейный эффект перекрестного искажения сигнала представляет собой «перенос модуляции» с модулированной помехи на полезный сигнал, в результате чего искажается спектр выходного сигнала РПУ. Параметрами перекрестных искажений являются коэффициент перекрестных искажений K_пи ; уровень восприимчивости А_пи и динамический диапазон РПУ по перекрестным искажениям D_пи. Данные искажения возникают ВКЧ усилителях и смесителе при воздействии на них модулированной помехи с частотой, близкой к частоте настройки f_н . Коэффициент перекрестных искажений определяется отношением уровней низкочастотных спектральных составляющих на выходе РПУ А_пи (Ω_п) на частотах Ω_п , возникающих вследствие перекрестной модуляции, к уровню сигнала А_вых (Ω_с) с модулирующей частотой Ω_с на выходе РПУ: K_пи = А_пи (Ω_п) / А_вых (Ω_с) при заданном значении Q_вых [1.9-1.10]. Характеристика частотной избирательности по перекрестным искажениям представляет собой АЧХ модулированного сигнала А_пи ( f ) на входе РПУ при заданном значении K_пи . Уровень восприимчивости по перекрестным искажениям А_пи при заданной расстройке частоты помехи f относительно частоты f_н определяется по снятой частотной характеристике при заданном K_пи [1.9; 1.20]. Динамический диапазон по перекрестным искажениям определяется как отношение значения характеристики частотной избирательности по перекрестным искажениям на заданной частоте f к чувствительности РПУ: D_пи = А_пи ( f )/А_мин (f_н) при заданном значении K_пи .

Отметим, что перекрестные искажения предельно-допустимого уровня определяют верхнюю границу динамического диапазона РПУ, нижней границей которого является чувствительность основного канала приема РПУ. Как и блокирование, перекрестные искажения обусловлены изменением коэффициентов передачи активных нелинейных элементов (вследствие изменения средней крутизны амплитудной характеристики) под воздействием мощной помехи.

Эффект интермодуляции (взаимной модуляции) возникает в РПУ при взаимодействии на входных нелинейных элементах двух и более помех, частоты которых f₁ ; f₂ ... не совпадают с частотами основного и побочных каналов приема [1.9; 1.20]. Частоты f_им интермодуляционных каналов порядка N = ׀n ׀+ ׀m׀ определяются из условия ׀ m f₁ + n f₂ ׀ ≤ f_н Δ f_ПЧ /2, где Δ f_ПЧ – полоса пропускания тракта промежуточной частоты РПУ по уровню –Х дБ; m; n = 1; 2; 3 … Наибольшую опасность представляют интенсивные помехи низших 2 и 3 порядков вида f₁ + f₂ ; 2 f₁ – f₂ ; 2 f₂ – f₁ , где f₁ более близкая, а f₂ – более удаленная относительно частоты f_н помеха.

Параметрами интермодуляционных искажений являются коэффициент интермодуляции K_им ; динамический диапазон РПУ по интермодуляции D_им и уровень восприимчивости по интермодуляции А_им .

Коэффициент интермодуляции согласно [1.9-1.10] равен отношению уровня помехи, появившейся в результате интермодуляции на выходе РПУ А_{вых им} ( f ), к уровню выходного сигнала А_вых ( f_н) , соответствующего реальной чувствительности РПУ: K_им = А_{вых им} ( f ) / А_вых ( f_н). Характеристика частотной избирательности по интермодуляционным помехам А_вх ( f_им ) представляет собой зависимость уровней помех на входе РПУ, создающих интермодуляционную помеху, от частоты одной из них при заданном значении K_им . Характеристику А_вх ( f_им ) проверяют, например, подавая на вход РПУ два тестовых сигнала равного уровня с частотами f₁ и f₂ , значения которых выбираются так, что 2 f₁ – f₂ = f_н . Допустимой считается помеха, у которой значение K_им не превышает 3 ... 5% [1.9]. Динамический диапазон по интермодуляции определяется отношением величины частотной избирательности по интермодуляции на заданной частоте f_им к реальной чувствительности РПУ: D_им = А_вх ( f_им )/А_мин ( f_н ) при заданном значении K_им . Уровень восприимчивости по интермодуляции при заданной расстройке частоты помехи f_им относительно частоты f_н определяется как минимальный уровень помехи на входе РПУ А_мин (f_им ) при заданном K_им [1.9; 1.20].

Интермодуляционная помеха может появляться в РПУ как при наличии, так и при отсутствии сигнала с частотой f_н – в этом отличие интермодуляции от блокирования и перекрестных искажений, которые возникают только в присутствии полезного сигнала. Интермодуляционные искажения более опасны для РПУ по сравнению с другими нелинейными эффектами, поэтому динамический диапазон D_им , как правило, на 10 ... 15 дБ меньше по сравнению с D_бк и D_пи [1.20].

Из элементов РПУ (по аналогии с другим электро- и радиооборудованием) в качестве источника ИРП (излучаемых и кондуктивных) может выступать только гетеродин, тогда как в качестве рецепторов ИРП – практически все блоки РПУ. При анализе ЭМС РЭС нужно также учитывать, что РПУ современных ИКС могут обеспечивать не только частотную и амплитудную (с помощью ограничителей уровней), но и фазовую, временную, кодовую и другие виды избирательности сигналов, а также различение сигналов и помех путем комплексной сравнительной оценки их амплитудно-фазовых, временных и корреляционных характеристик.