Контрольная работа по "радиопередающим устройствам"

1.  СУПЕРГЕТЕРОДИННЫЕ РПТ. СТРУКТУРЫ, ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ.

 

Радиоприёмный тракт (РПТ) предназначен для приёма (выделения) радиосигналов, усиления и преобразования их к удобному виду, позволяющему использовать передаваемое сообщение.

РПТ классифицируются:

- по области применения (для звукового радиовещания, телевидения, радиосвязи, радиолокации, радиоизмерений, радионавигации, радиоастрономии и т.д. );

- по диапазону частот (НЧ, СЧ, ВЧ, ОВЧ, УВЧ, СВЧ и т.п.);

- по виду принимаемых сигналов (непрерывные и дискретные);

- по виду модуляции (АМ, ЧМ, ФМ, ШИМ, АИМ и т.п.);

- по дальности действия (ближнего или дальнего радиуса, низовой, зоновой, космической, магистральной связи);

- по месту установки (стационарные, переносные, мобильные,бортовые, консольные);

- по способу питания (от сети переменного тока, гальванических батарей, с универсальным питанием);

- по способу управления (с ручным, автоматическим, дистанционным, комбинированным);

- по структуре построения (детекторный, прямого усиления, регенеративный, сверхрегенеративный, гетеродинный, супергетеродинный,  синхродинный).

Пример супергетеродинного РПТ представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная  схема супергетеродинного РПТ

 

При супергетеродинном  построении РПТ используют преобразование частоты принимаемого сигнала в другую, обычно более низкую и постоянную, которая называется промежуточной частотой (рис.2).

 

 

Рисунок 2 – Промежуточная частота

 

На промежуточной частоте производится селекция сигнала, его усиление и последующая демодуляция. Это обеспечивает реализацию большего усиления, и, следовательно, более высокой чувствительности и избирательности РПТ на любой частоте рабочего диапазона, а также их относительное постоянство.

В тракте радиочастоты (ТРЧ) осуществляется подавление части помех, т.е. предварительная фильтрация, однако, как и в РПТ прямого усиления, не решается задача выделения спектра одного полезного сигнала. Этот тракт в литературе называется также трактом предварительной избирательности или преселектором.

Преобразование частоты осуществляется в нелинейном звене - смесителе. Если на вход смесителя подать напряжение сигнала высокочастотного генератора, называемого гетеродином, с частотой fг , то на выходе смесителя возникнет многочастотный сигнал вида fпр = mfг ± nfс или fпр = nfс ± mfг , где m, n - целые натуральные числа. Колебания наибольшей интенсивности соответствуют m = n = 1.

Неизменность значения fпр = fп.ч достигается при одновременной перестройке fс и fг . Для "верхнего" преобразования частоты fп.ч = fг − fс, а для "нижнего" преобразования fп.ч = fс − fг .

В тракте промежуточной частоты (ТПЧ) осуществляется основная избирательность и усиление принятого сигнала. Промежуточная частота выбирается в соответствии со стандартом и может составлять, например,0,076 МГц, 0,465 МГц, 1,84 МГц, 2,9 МГц, 10,7 МГц, 24,975 МГц, 42,67МГц. Выбор определяется рабочим диапазоном частот, требованиями к РПТ и особенностями построения тракта. Малая fп.ч обеспечивает высокое усиление и хорошее подавление соседних каналов приема; высокая fп.ч - хорошее подавление ряда побочных каналов приема, образующихся в результате преобразования частоты. Для совмещения достоинств обоих подходов обычно принимают компромиссное среднее значение. Например, в радиовещании для диапазонов ДВ, СВ, КВ используют промежуточную частоту 465кГц. Для УКВ используют частоту 10.7МГц.

Наиболее распространено "верхнее" преобразование, так как при этом необходимый коэффициент перекрытия частот гетеродина меньше и технически проще обеспечить его построение.

К недостаткам РПТ супергетеродинного типа относится образование побочных каналов приема. Побочные каналы - это каналы, частоты которых не совпадают с частотой основного (полезного) сигнала, однако в результате преобразования попадают в полосу ТПЧ вследствие недостаточного подавления в преселекторе РПТ ( рисунок 3).

 

 

Рисунок 3 – Частотная зависимость побочных каналов приёма

 

Общая формула частот приема в супергетеродинном РПТ:

где m, n - целые натуральные числа.

Знак «+» соответствует "нижнему", а «−» - "верхнему" преобразованию частоты.

Наиболее опасны:

- канал промежуточной частоты (прямой канал) fпр = fп.к = fп.ч ;

- зеркальный (симметричный) канал при fпр = fз.к = fс + 2 fп.ч приверхнем" преобразовании частоты и fпр = fз.к = fс − 2 fп.ч при "нижнем";

- каналы помех, образованные на своих гармониках без участия гетеродина: fпр = fп.ч / n (n=2,3…);

- каналы помех, преобразованные  в смесителе на своих гармониках:

- каналы помех, образованные на гармониках гетеродина:

fпр = mfг ± fп.ч (n=2,3…).

Наличие прямого и  зеркального каналов обусловлено самим принципом супергетеродинного радиоприёма, поэтому они называются линейными. Остальные каналы образуются вследствие технического несовершенства узлов и блоков ТРЧ и называются нелинейными. На рис.3. показана расстановка паразитных линейных каналов приема для "верхнего" (рис.3,а) и "нижнего" (рис.3,б) преобразований частот.

Таким образом, по побочным каналам  приёма в ТПЧ попадают мешающие сигналы других радиостанций или шумы, энергия которых суммируется с шумами в основном канале приема, что приводит в результате к снижению отношения сигнал/шум (С/Ш) и, соответственно к ухудшению качества, надежности и дальности действия радиоканала.

Для подавления побочных каналов следует  повышать избирательность и линейность преселектора, "чистоту" спектра колебаний гетеродина, приближая его к моногармоническому.

 

2. ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УРЧ С ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ. СХЕМА, ПАРАМЕТРЫ, НАЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ.

 

Усилители радиочастоты осуществляют усиление радиосигнала принимаемой частоте.

УРЧ выполняют в приёмнике  важнейшие функции:

Во-первых, УРЧ должны обеспечить усиление принимаемых радиосигналов при незначительном добавлении собственных шумов. Этим самым улучшается реальная чувствительность приёмника. Для её улучшения необходимо на входе приёмника использовать каскады, обладающие малыми собственными шумами и возможно большим коэффициентом усиления мощности.

Во-вторых, совместно  с входными цепями обеспечивают избирательность внеполосным каналам приёма и защиту цепи антенны от проникновения сигнала собственного гетеродина, который может создать помеху соседним радиоприёмным устройствам.

В качестве усилительных приборов в УРЧ используют: транзисторы (биполярные и полевые), ЛБВ, туннельные, параметрические диоды и т. д.

Широкополосный УРЧ  с диссипативными параллельнопоследовательными обратными связями (рисунок 4) представляет собой согласованный каскад. Последовательная (RE) и параллельная (RF) обратные связи позволяют стабилизировать входные и выходные сопротивления УРЧ:

 

 

 

При этом коэффициент передачи каскада равен

 

 

и составляет 5 - 22 дБ.

 

 

Рисунок 4 - Широкополосный УРЧ с диссипативными параллельнопоследовательными обратными связями

 

Для регулировки АЧХ  в области высоких частот в  цепь параллельной обратной связи вводят небольшую индуктивность L. Рабочая точка транзистора задается базовым делителем и резистором Rэ, стабилизирующим режим каскада по постоянному току. Дроссель обеспечивает питание коллекторной цепи и выбирается из условия слабого шунтирования нагрузки по высокой частоте.

Коэффициент шума каскада  равен:

 

и составляет 4 - 10 дБ, что  несколько хуже, чем у резонансных  УРЧ. Каскад имеет неплохие характеристики по линейности благодаря использованию отрицательных обратных связей: Uвх max ≈ϕ Т + IК RЕ. Так, например, при коллекторных токах 10 - 60 мА верхняя граница ДД составляет десятки милливольт, а параметр нелинейности IPвых3 = -5 ... +17дБм.

Отрицательные обратные связи позволяют эффективно стабилизировать импедансы в присоединительных сечениях и реализовывать широкополосные усилительные каскады. Однако диссипативные цепи ухудшают коэффициент шума транзисторной цепи, что в ряде случаев, например при сверхдальнем приеме, может оказаться недопустимым. В этих случаях целесообразно использование реактивных обратных связей, т.е. обратных связей с реактивными элементами - трансформаторами и иногда конденсаторами.

Схема с одиночным  транзистором показана на рисунке 5. Транзистор включен по схеме с общей базой. Трансформатор Т охватывает транзистор последовательно-параллельной связью, стабилизирующей коэффициент передачи и присоединительные импедансы каскада:

 

 

 

Рисунок 5 – Электрическая  схема с одиночным транзистором

 

Глубокая обратная связь  в значительной степени линеаризует  передаточную характеристику каскада. Так, типовой параметр линейности составляет 16 - 39 дБм для токов 30-60 мА, а точка компрессии - 3-10 дБм. При этом коэффициент шума не превышает 1,2 - 4 дБ, что примерно соответствует шумам одиночного транзистора.

Вследствие сильной  связи входа и выхода за счет трансформаторной обратной связи для устойчивой работы каскада необходимо в присоединительных сечениях обеспечить широкополосное согласование нагрузочных импедансов (Rг и Rн).

В ряде случаев в РПТ  требуются согласованные каскады, работающие на произвольную нагрузку. Тогда находит применение резисторный каскад на полевом транзисторе. Схема содержит мощный полевой транзистор, включенный по схеме с общим затвором (рисунок 6).

 

Рисунок 6 – Электрическая схема с полевым транзистором

Как известно, входное  сопротивление полевого транзистора по схеме с общим затвором равно 1/Y21 и чрезвычайно широкополосно (от низких частот до 0,5 - 0,7fT). Выбирая активный элемент с соответствующей крутизной, можно обеспечить сверхширокополосное согласование во входном сечении и работу каскада на произвольные нагрузки с Rн передачей K ≈ Y21Rн (обычно 10-15 дБ). Шумы каскада определяются шумами транзистора и Rг: (Kш = 1+ 0,75 /(Y21Rг )) и невелики (Кш=1,5…10).

Иногда при необходимости  увеличения коэффициента передачи в стоковой цепи транзистора устанавливают трансформатор.

Кроме широкополосных согласованных  по входу каскадов, в РПТ требуются каскады, согласованные только по выходу, например в преселекторах, работающих с несогласованными антеннами, и в цепях усиления колебания гетеродина. Здесь применяется каскад с общим эмиттером, охваченный глубокой последовательной обратной связью по напряжению, которая выполнена на трансформаторе (рисунок 7).

 

 

Рисунок 7 – Электрическая схема с трансформатором

Резисторы в цепи смещения ( Rб1, Rб2) совместно с Rэ задают режим работы каскада по постоянному току. Входное сопротивление велико: Rвх ≈βn(Rн +β /Y21), а выходное мало: Rвых ≈β −1n Rг +β Y . Коэффициент передачи по напряжению K=n и составляет 2 … 12 дБ. Коэффициент шума каскада 5 - 15 дБ, параметр нелинейности IPвых3 = 21…46 дБ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Малевич И.Ю. Конспект лекций по курсу «Методы и устройства приема и обработки сигналов» БГУИР. Минск 2007.
2. Садомовский А.С. «Приёмо-передающие радиоустройства и системы связи». Ульяновск 2007.
3. Радиоприемные устройства. Под ред. Н.Н.Фомина. - М.: Радио и связь, 2003. –520с.
4. Румянцев К.Е. Прием и обработкасигналов. Издательский центр «Академия», 2004. -528 с.
5. «Радиовещание и электроакустика» Уч. пособие. Под ред. Ю.А. Ковалгина. М.: Радио и связь, 1998.-790 с.

6. Головин О.В. Радиоприемные устройства. Горячая линия-

Телеком, 2002.-384 с.