Устройство приема и преобразования сигнала

1. Общие сведения о радиоприёмных  устройствах

1. Радиоприёмное устройство как составная часть радиосистемы

Техническую систему, в которой основные операции выполняются радиоэлектронными  средствами, называют радиосистемой. Составными частями радиосистемы являются радиопередающие, радиоприемные, антенно-фидерные, электронно-вычислительные и другие устройства.

Радиоприемное устройство (РПрУ) - это комплекс электрических цепей, функциональных узлов и блоков, предназначенный для улавливания распространяющихся в открытом пространстве электромагнитных колебаний искусственного или естественного происхождения в радиочастотном (3∙10³…3∙10¹² Гц) и оптическом (3∙10¹²…3∙10¹⁶ Гц) диапазонах и преобразования их к виду, обеспечивающему использование содержащейся в них информации. Радиоприемные устройства являются важнейшими составными частями радиосвязи, радиовещания и телевидения, относящихся по информационному назначению к классу систем передачи информации из одних пунктов пространства в другие.

РПрУ - система узлов и блоков, с помощью которых производятся следующие операции:

• преобразование электромагнитного поля сигнала (помех) в электрический сигнал и обеспечение пространственной и поляризационной избирательности полезного радиосигнала с помощью приемной антенны;
• выделение полезных радиосигналов из совокупности других (мешающих) сигналов и помех, действующих на выходе приемной антенны и не совпадающих по частоте с полезным сигналом. Эта операция называется фильтрацией по частоте и осуществляется частотно- избирательными устройствами;
• усиление принимаемых сигналов с целью обеспечения качественной работы демодулятора, декодера, схем защиты приемника от помех и обратного электрофизического преобразователя информации (решающего или исполнительного устройства);
• демодуляция принятого сигнала с целью выделения информации (модулирующей функции), содержащейся в полезном радиосигнале;
• обработка принимаемых сигналов с целью ослабления мешающего воздействия помех искусственного и естественного происхождения. Подобная операция предусматривает введение в приемник средств помехозащиты и эффективную обработку сигналов и помех, при которой достигается наилучшее обнаружение сигналов или оценка принятой информации (сообщения) по какому-либо критерию оптимальности приемника.

1.1.2 Виды и назначения РПрУ

В зависимости от признаков, положенных в основу, существуют различные классификации  РПрУ. По основному функциональному  назначению РПрУ делят на профессиональные и вещательные. К профессиональным приемникам (в системах передачи информации) относятся РПрУ связные, телевизионные, телеметрические, телеуправления и  др. Вещательные приемники обеспечивают прием программ звукового и телевизионного вещания. Их массовое производство и необходимость относительной дешевизны обусловливают сравнительно простые технические решения. Профессиональные РПрУ отличаются большей сложностью и стоимостью, зачастую соизмеримой со стоимостью передающего оборудования.

Среди связных различают РПрУ космических, международных, магистральных, внутризоновых, местных, технологических и других радиосистем передачи. Профессиональные телевизионные приемники используются в связных, сервисных и прикладных телевизионных системах. Приемники  звукового вещания делятся на монофонические, стереофонические и  квадрофонические; вещательные телевизоры обеспечивают прием программ в системах монохромного и цветного вещания, в  перспективных системах с высокой  четкостью изображения и др.

В соответствии с рекомендациями Международного консультативного комитета по радио (МККР) при построении радиосистем передачи используется спектр радиочастот, разделенный  на 9 диапазонов, (таблица 1). Современные РПрУ работают во всех этих радиодиапазонах, из которых наиболее широко используются диапазоны от 4 до 11 включительно, а также на инфракрасных и видимых волнах оптического диапазона. По виду принимаемых сигналов приемники делят на два класса: непрерывных (аналоговых) и дискретных сигналов. По виду принимаемой информации различают РПрУ радиотелефонные, звукового вещания, факсимильные, телевизионные, радиотелеграфные, передачи данных и др. Существуют, особенно в системах радиосвязи, РПрУ, предназначенные для приема информации различных видов. В зависимости от вида используемой модуляции (манипуляции в случае дискретных сигналов) бывают приемники амплитудно-модулированных, частотно-модулированных, фазомодулированных сигналов, сигналов с одной боковой полосой и различными видами импульсной модуляции и др.

Таблица 1

Существуют, особенно в системах радиосвязи, РПрУ, предназначенные для приема информации различных видов. В зависимости  от вида используемой модуляции (манипуляции  в случае дискретных сигналов) бывают приемники амплитудно-модулированных, частотно-модулированных, фазомодулированных сигналов, сигналов с одной боковой полосой и различными видами импульсной модуляции и др.

1.1.3 Основные характеристики радиоприёмников

Качественные  показатели РПрУ определяются электрическими, конструктивно-эксплуатационными и экономическими характеристиками.

Основными электрическими характеристиками радиоприемников  являются:

1) Чувствительность. Под чувствительностью  понимают способность приемника  принимать слабые сигналы. Чувствительность  определяется минимально необходимой  мощностью или ЭДС сигнала  в антенне (либо ее эквиваленте), при которых обеспечивается нормальное  функционирование исполнительного  (оконченного) устройства при  заданном отношении мощности  сигнала к мощности собственных  шумов на выходе приемника.  Однако в реальных условиях  эксплуатации пренебрежение внешними  помехами радиоприему часто недопустимо,  особенно для приемников специальных  радиосистем. Поэтому вводят понятие  эффективной чувствительности по  отношению к уровню помех, как  внутренних, так и внешних.

Эффективная чувствительность – это способность  радиоприемника принимать слабые сигналы  с заданным качеством (отношением сигнал/ помеха) и вероятностью приема (поражения) в условиях воздействия всего  ансамбля помех.

2) Избирательность. Избирательностью  называют способность радиоприемного  устройства выделять полезный  сигнал и ослаблять действие  мешающих сигналов (помех) с помощью  различных способов избирательности:  частотной, временной, пространственной, поляризационной и др.

Частотная избирательность, реализуемая с  помощью резонансных цепей и  фильтров, характеризуется нормированной  амплитудно – частотной характеристикой γ(f) трактов радио γ(f_с) и промежуточных γ(f_п) частот приемника:

γ(f)= К(f)/ К_о= γ(f_с) γ(f_п), где К(f) модуль коэффициента передачи указанных трактов на произвольной частоте f; К_о – то же, но на частотах f_с или f_п.

Количественно избирательность приемника оценивается  величиной, обратной γ(f):

Sl= K_o/ K(f), которая и называется избирательностью приемника.

Понимая под K(f) коэффициенты передачи по любым побочным каналам приема, можно определить избирательность приемника по отношению к соответствующим помеховым каналам.

Приведенные характеристики избирательности определяются только частотной фильтрацией полезного  сигнала от мешающих сигналов в высокочастотном  тракте. Однако реальная избирательность  приемника в целом зависит  также от нелинейных явлений в  его каскадах. Поэтому вводят понятие  эффективной частотной избирательности, под которой понимают способность  приемника различать полезный сигнал (на частоты которого настроен приемник) и помехи (с частотами за пределами  полосы пропускания), уровни которых  таковы, что они создают нелинейные эффекты при одновременном действии полезного и мешающих сигналов. Нелинейные эффекты в усилительных и преобразовательных каскадах приемника, обусловленные в основном нелинейной вольт – амперной характеристикой активных приборов при больших уровнях сигнала или помех, вызывают следующие явления:

1. сжатие амплитуды радиосигнала, т. е. нарушение линейной зависимости между амплитудами сигнала на выходе и входе каскада;
2. блокирование полезного сигнала, выражающееся в изменении коэффициента передачи приемного тракта при действии мешающих сигналов, частоты которых отличаются от частот основного и побочного каналов приема;
3. перекрестные искажения радиосигналов, проявляющиеся в переносе модуляции с мешающего внеполосного сигнала на полезный;
4. взаимную модуляцию (интермодуляцию) между помеховыми внеполосными сигналами и шумом;

Временная избирательность применяется в  основном при приеме импульсных сигналов, когда момент появления их известен достаточно точно. При этом используется метод стробирования, когда приемник открывается только на время ожидаемого прихода импульсного сигнала. Остальное  время приемник закрыт, что уменьшает  воздействие помех.

Пространственная  избирательность осуществляется с  помощью остронаправленных приемных антенн, а в настоящее время  и путем управления фазированными  антенными решетками. Если источники  сигнала и помехи разнесены по угловым направлениям, то можно существенно  ослабить уровень внешней помехи на входе приемника, формируя в направлении  на источник сигнала максимум диаграммы  направленности приемной антенны, а  в направлении источника помехи – нули (провалы) в диаграмме направленности.

Поляризационная избирательность может быть осуществлена, если имеются различия в поляризациях электромагнитных волн полезного сигнала  и помехи. Она производится приемной антенной, которая настраивается  на вид поляризации сигнала.

3) Помехоустойчивость. Помехоустойчивостью  называют способность приемника  обеспечивать прием переданной  или извлеченной информации с  заданной достоверностью при  заданных (или выбранных) видах  сигналов (в том числе видов  модуляции или кодирования) и  наличии помех в радиоканале.  Повышение помехоустойчивости обеспечивается  всеми видами избирательности,  а также созданием оптимальных (квазиоптимальных) структур приемников и специальными методами борьбы с помехами при обработке принимаемых сигналов.

4) Допустимые искажения воспроизводимого  сигнала в отсутствие помех.  Искажения могут быть линейными  (амплитудно – частотными и фазо- частотными) и нелинейными. Амплитудно–частотные искажения изменяют соотношения между амплитудами составляющих сообщения на выходе приемника (включая оконечное устройство) по сравнению с его входом. Фазо-частотные искажения заключаются в том, что различные составляющие спектра сообщений при прохождении через приемник сдвигаются по времени не на одинаковую величину и оцениваются допустимой нелинейностью фазо-частотной характеристики приемного тракта. Нелинейные искажения проявляются на выходе приемника в появлении дополнительных частот (гармоник и комбинационных), не содержащихся в передаваемом сообщении, и оцениваются допустимым коэффициентом нелинейных искажений при заданном коэффициенте модуляции. Искажения импульсных сигналов оцениваются допустимыми длительностями фронта и среза, неравномерностью вершины, выбросами на вершине и в паузе.

5) Электромагнитная совместимость.  Под электромагнитной совместимостью  понимают обеспечение совместной  работы данной радиоэлектронной  аппаратуры с другой аппаратурой,  которая создает мешающее радиоизлучение.

6) Динамический диапазон приемника  по основному каналу. Под этой  характеристикой понимают диапазон  граничных уровней входного полезного  сигнала, при которых обеспечивается  нормальное качество приема.

Динамический  диапазон характеризует пределы  измерения уровня входных сигналов, в которых устройство линейно  в практическом смысле.

7) Параметры ручных и автоматических  регулировок усиления, полосы пропускания,  частоты и фазы гетеродина. При  ручных регулировках указываются  диапазоны изменения коэффициента  усиления и полос пропускания  высокочастотного и низкочастотного  трактов приемника. Требования  к автоматической регулировке  усиления (АРУ) определяются максимально  допустимым изменениям выходного  напряжения приемника при заданном  динамическом диапазоне входного  напряжения и допустимой постоянной  времени АРУ.