Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Устройства приема и обработки сигналов - файл Радиоприемные устройства.doc


Лекции - Устройства приема и обработки сигналов
скачать (2282.3 kb.)

Доступные файлы (1):

Радиоприемные устройства.doc14101kb.18.06.2004 23:10скачать

содержание

Радиоприемные устройства.doc

  1   2   3   4   5   6
1.УПОС как составная часть системы передачи информации. Предмет и задачи курса.

2.Использование теории оптимального приема при проектировании УПОС. Основные задачи приема. Структура оптимального приемника.

3.Искажения сигнала при его распространении. Замирания сигнала.

4.Общие подходы к построению линейного тракта УПОС.

5.Структура линейного тракта супергетеродинного приемника. Зеркальный канал приема.

6.Комбинационные каналы приема.

7.Супергетеродин с двукратным преобразованием частоты.

8.Инфрадин.

9.Источники электрического шума в линейном тракте.

10.Коэффициент шума и шумовая температура.

11.Шумовая температура антенны. Коэффициент шума пассивного устройства.

12. Коэффициент шума последовательности шумящих четырехполюсников.

13.Чувствительность приемного устройства.

14.Основные нелинейные эффекты в линейном тракте.

15.Частотная избирательность приемного устройства. Полоса пропускания.

16.Автоматическая подстройка частоты гетеродина. Линейный режим.

17.Нелинейный режим АПЧ гетеродина. Особенности эксплуатации приемного устройства.

18.Система автоматической регулировки усиления. Назначение. Принципы построения.

19.АХ системы автоматической регулировки усиления. Параметры системы автоматической регулировки усиления.

20.Коэффициент передачи одноконтурной входной цепи.

21.Режимы максимального усиления и согласования для входной цепи.

22.Способы настройки входной цепи. Особенности электронной настройки.

23.Зависимость резонансного коэффициента передачи входной цепи от частоты настройки (индуктивная связь с антенной).

24.Внутриемкостная связь контура входной цепи с нагрузкой и индуктивная связь с антенной – коэффициент передачи.

25.Особенности входных цепей для настроенных антенн.

26.Коэффициент усиления одноконтурного усилителя радиочастоты.

27.Влияние внутренней обратной связи на устойчивость одноконтурного усилителя радиочастоты.

28.Повышение устойчивости усилителя радиочастоты.

29.УПЧ–два принципа построения. Виды ПФ для усилителей промежуточной частоты.

30. Преобразователи частоты. Требования к смесителям. Искажения сигналов.

31. Схемотехника смесителей. Гетеродины.

32. Последовательный диодный амплитудный детектор - принцип работы. Коэффициент передачи в режиме сильного сигнала.

33. Нелинейные искажения в амплитудном детекторе.

34. Воздействие помех на АД.

35. Анализ АД в режиме слабого сигнала.

36. Параллельный и транзисторный АД.

37. Фазовые детекторы.

38.Частотные детекторы.

39. Воздействие помех на ЧД. Схемы порогопонижения.

40. Прием АМ- и ОБП-сигналов.

41. Прием ЧМ-сигналов.

42. Прием фазоманипулированных сигналов. Демодулятор ОФМ-сигналов. Формирователь опорного напряжения.

43. Многоуровневая ФМ, КАМ. Офсетные виды модуляции.

44. Прием сигналов с минимальным частотным сдвигом.

45. Прием сложных сигналов.

46. Прием с перестройкой рабочей частоты. Пропускная способность канала связи.

47. Подавление замираний сигнала с помощью пространственно-разнесенного приема.

48. Теоретические основы адаптивной компенсации помех.

49. Компенсатор узкополосных синфазных помех.

50. Компенсатор помех с квадратурными каналами обработки сигнала.

1. УПОС как составная часть системы передачи информации. Предмет и задачи курса.

Информация передается с помощью сообщений. Наиболее быстрый способ передачи сообщений с помощью сигналов. Можно выделить первичный и вторичный сигналы.

При распространении сигналов в некоторой среде возникает их искажения, к ним добавляются помехи, поэтому при извлечении информации происходят ее потери. Если передачи информации осуществить с помощью аналоговых сигналов, то потери характеризуются отношением на выходе передающего устройства. При цифровых сигналах потери характеризуются вероятностью ошибки.

Успехи вычислительной техники обусловлены развитием цифровых систем связи, которые являются перспективными. Основные достоинства:

  1. малые потери информации – высокое качество передачи.

  2. представление информации в цифровом виде позволяет легко автоматизировать процессы обработки информации.

Стоимость систем передачи информации определяется: скоростью передачи информации, допустимым уровнем потерь информации, чем выше уровень помех, тем больше степень искажения.

Из всех систем передачи информации наиболее сложные радиотехнические. Высокая стоимость систем обусловлена: доступностью среды распространения сигнала многим источникам излучения; среда распространения радиосигнала является не искусственной средой, а следовательно искажения велики.

Так как радиотехнические системы обеспечивают высокую дальность и мобильность, они являются привлекательными для многих служб, предъявляемых высокие требования.

С
АЦП

АФУ

БУ
труктура простейшей цифровой радиотехнической системы передачи информ
ации (СПИ).


Источник

инфор-ции

Кодер

Моду-

лятор

Усилитель

мощности




Среда

распространения













Передатчик








Получатель

инфор-ции

ЦАП

Декодер

Демод.

(Нелин.тр)

Усил+Ф.

(Лин.тр)


АФУ








Искаж

Помехи

БУ
Кодек Модем

Приемник


Аналоговый сигнал поступает на АЦП. Поток данных с выхода АЦП поступает в кодер, где сжимается, защищается от помех, засекречивается. В модуляторе осуществляется перенос первичного радиочастотного сигнала на транспорт – высокочастотную несущую.

Усилитель мощности обеспечивает дальность передачи.

В усилитель+фильтр сигнал усиливается и очищается от помех с помощью линейного тракта.

Демодулятор извлекает из вторичного сигнала первичный. Далее сигнал декодируется и через ЦАП в виде аналогового сигнала поступает в телефон.

Блоки управления в приемнике и передатчике обеспечивают автоматику управления, диагностики и интерфейс пользователя.

Так как связь двусторонняя, то близкие по принципу построения модулятор и демодулятор объединяют в модем, а кодер и декодер в кодек.
^ 2. Использование теории оптимального приема при проектировании УПОС.

Основные задачи приема. Структура оптимального приемника.

Характеристики линейного и нелинейного трактов приемника во многом определяет качество передачи информации, а следовательно стоимость всей СПИ.

С целью оптимизации характеристик разработана теория оптимального приема, которая отдельно рассматривает линейные и нелинейные устройства.

Однако структуры устройств, которые получаются при использовании этой теории, оказываются сложными и дорогими. Поэтому на практике используется субоптимальный прием, который оказывается намного дешевле (но немного хуже). Поэтому результаты позволяют выбрать лишь ориентир для практического проектирования и позволяют отследить качество спроектированного приемника в сравнении с оптимальным.

Рассмотрим оптимальную характеристику фильтра линейного тракта, которая обеспечивает минимальный уровень среднеквадратичной ошибки выходного сигнала такта по сравнению с неискаженным идеальным сигналом.

Частотная характеристика: , - задержка, - энергетические спектры сигнал, помеха.









энергетические спектры




1

АЧХ



Из графических построений следует, что оптимальный фильтр в полосе частот должен иметь единичный коэффициент передачи, а вне полосы частот нулевой. Скаты АЧХ фильтра определяются соотношением скатов спектров внеполосных помех и сигнала.

Наиболее просто требуемая форма фильтра апроксимируется полосовым фильтром.

^ Синтез оптимального демодулятора.

Так как на вход приемника поступает сумма внеполосных и внутриполосных помех, причем внутриполосные помехи часто обусловлены собственным электрическим шумом линейного тракта.

Извлечение первичного сигнала из вторичного осуществляется демодулятором в присутствии внутриполосных помех.

Если внутриполосная помеха обусловлена лишь электрическим шумом линейного тракта, то она представляет из себя белый Гауссов шум (плотность вероятности значений шума подчиняется гаусовому закону, а энергитический спектр характеризуется постоянной спектральной плотностью мощности во всем диапазоне частот сигнала).




Собственному электрическому шуму линейного тракта добавляется шум от внешних источников излучения.

Теория оптимального приема позволяет синтезировать схему оптимального демодулятора, если известен закон модуляции сигнала и характеристики помех.

Оптимальный демодулятор в заданных условиях обеспечивает наименьшие потери информации.

Схема оптимального демодулятора определяется также математической формулировкой задачи приема.

1 Формулировка: обнаружение сигнала – демодулятор должен отвечать на вопрос, присутствует или отсутствует на входе приемника сигнал заданной формы.

Эта задача решается путем согласованных фильтров, которые обеспечивают максимальное отношение мощности сигнала к мощности помехи в некоторый момент времени, при этом форма сигнала на выходе демодулятора может отличаться от формы сигнала на входе демодулятора.

2 Формулировка: Различение сигнала – демодулятор должен отвечать на вопрос, какой из сигналов присутствует на его входе. Ансамбль сигналов заранее известен.
Рассмотрим структуру оптимального демодулятора, осуществляющего прием двоичных сигналов на фоне белого гаусового шума. Считаем, что сигналы одинаковой длительности, энергии и ортогональны относительно друг друга.






интегратор.

Т
В этом случае на выходе перемножителя присутствует сумма положительной постоянной составляющей и совокупность высокочастотных и шумовых компонентов.

На выходе интегратора формируется сумма линейно возрастающего положительного напряжения совокупности высокочастотных компонентов. В момент времени Т отношение линейно возрастающего напряжения к высокочастотной компоненте является наибольшим. Следовательно, определитель полярности в этот момент времени произойдет с наименьшей вероятностью ошибки.

Рассмотрим ситуацию, когда на вход приходит возрастающий ослабленный сигнал и белый гауссов шум.


Т


На выходе перемножителя формируется сумма отрицательной постоянной составляющей и совокупность высокочастотных и случайных компонентов.

На выходе интегратора формируются “загрязненные” линейно возрастающие отрицательные напряжения.

На практике величина задержки неизвестна, а следовательно неизвестен фазовый сдвиг сигнала, пришедший на вход перемножителя.

Чтобы определить фазу принимаемого сигнала данную структуру надо дополнить сложной системой ФАПЧ. Так как определение фазы происходит с некоторой погрешностью, то вероятность ошибки на выходе демодулятора выше чем у оптимального демодулятора, поэтому схемы демодулятора являются субоптимальными схемами.

Степень отклонения от оптимальности определяется уровнем разработки.

Таким образом, использование теории оптимального приема для проектирования демодулятора позволяет получить ориентир для проектирования и оценить потенциально достижимый приема. То есть вероятность ошибки реального демодулятора не может быть меньше вероятности ошибки оптимального демодулятора.

3 Формулировка: Фильтрация сообщений.

Применяется для аналоговых первичных сигналов. Оптимальный демодулятор должен обеспечить выходного сигнала от неискаженного первичного сигнала. Обычно задача решается с использованием систем ФАПЧ.
^ 3. Искажение сигнала при его распространении. Замирания сигнала.

Точнее считать, что сигнал при приеме испытывает лишь ослабление. На практике добавляются искажения его формы. Они существенно влияют на синтез демодулятора и снижают помехоустойчивость приема.

Рассмотрим наиболее часто встречаемый вид искажений – селективно-частотные замирания сигнала, которые возникают в результате многолучевого приема сигнала.

Сигналы, пришедшие в точку приема по различным путям различаются задержкой, а следовательно и набегом фаз. В зависимости от соотношения фаз возможно усиление или ослабление сигнала по мощности.

Р


ассмотрим простейший двухлучевой прием сигнала.
















.

Если сигнал достаточно широкополосный, то набеги фаз для крайних частот спектра сигнала могут значительно отличаться, а следовательно для этих спектральных компонентов имеют место разные набеги фаз и .

В результате по каждому спектральному компоненту имеют место разные на входе приемника искажение спектра сигнала.

В реальности задержки во времени постоянно меняются. Поэтому искажения спектра постоянно меняются во времени, в этом случае говорят о селективно-частотных задержках во времени, то есть на каждой частоте затухания сигналов слабо коррелированны.

Если сигнал узкополосный, расстояние между крайними спектральными компонентами неявно.

Классификация помех.
1. По месту возникновения:

- внутренние – в приемнике;

- внешние – вне приемника.

2. По спектральному виду:

- внеполосные;

- внутриполосные.

3. – Гаусовые – демодуляторы простые;

- негаусовые – демодуляторы сложные.
^ 4. Общие подходы к построению линейного тракта УПОС.

Назначение линейного тракта – усиление сигнала и подавление помех.



АФУ

СЦ1

ПФ

СЦ2

УРЧ



Входная цепь




структура приемника прямого усиления

Недостаток: с повышением рабочей частоты теряется фильтрующая способность линейного тракта, повышается стоимость электрических приборов УРЧ.

- полоса пропускания.

При росте расширяется полоса пропускания фильтра, что приводит к снижению подавления помех, которые расположены близко по частоте к полезному сигналу.

С целью ликвидации недостатков в 1919 Армстронгом запатентована идея супергетеродинного приема.

Ее суть: в состав линейного тракта вводится преобразователь частоты, который перемещает спектр сигнала из высоких частот в более низкие. После чего осуществляется подавление внеполосных помех и усиление сигнала.

Преобразователь частоты.


Х

ПФ

Смеситель








Гетеродин



ПФ – подавляет полосу с суммарными частотами, оставляя только разностные.

Проанализируем работу смесителя, когда на его входы поступают 2 гармонических колебания сигнальное и гетеродинное.






Так как полосовой фильтр подавляет компоненты с суммарными частотами, то на выходе преобразователя частоты получаем:

.

Если сигнал состоит из нескольких спектральных компонентов, то с каждым из них происходит рассмотренное выше преобразование. При этом сохраняются амплитудные соотношения между спектральными компонентами, сохраняется и соотношение между частотными спектральными компонентами и сохраняются фазовые соотношения.

Следовательно, можно сказать, что спектр сигнала не искажается в результате преобразования частоты.










Мы рассмотрели случай с нижней настройкой гетеродина.
Рассмотрим, когда частота гетеродина больше частоты сигнала.


Рассматриваемый случай относится к верхней настройке гетеродина.

Верхняя настройка порождает инверсию спектра сигнала, спектр сигнала на ПЧ является зеркальным отражением спектра сигнала на входе.

Инверсия спектра не приводит к искажению, если спектр сигнала симметричный, а если несимметричный, то в тракт приемника вводят второй ПЧ, который восстанавливает исходную картину спектра.

Верхняя настройка гетеродина используется для снижения коэффициента перестройки по частоте гетеродина.

, чем меньше , тем проще реализуется гетеродин.

Недостатки введения ПЧ:

1. Приемник становится чувствительным к воздействию внеполосных помех, частоты которых могут значительно отличаться от частоты настройки приемника (имеет место прием помех по побочным каналам приема).

2. ПЧ создает сильный электрический шум, который обусловлен электрическим шумом мощного колебания гетеродина (колебание гетеродина мощнее колебания сигнала).
^ 5. Структура линейного тракта супергетеродинного приемника. Зеркальный канал приема.

АФУ

СЦ1

ПФ

СЦ2

УРЧ

Смеситель

УПЧ

Гетеродин

Преселектор


Входная цепь




Преобразователь

частоты


Входной сигнал поступает через СЦ1 в полосовой фильтр, где осуществляется подавление помех по побочным каналам приема (зеркальная, комбинационная, прямого прохождения). Через СЦ2 сигнал поступает на радиочастотный усилитель, который является резонансным усилителем, содержит полосовой фильтр, подавляющий побочные помехи. Этот усилитель имеет малый уровень собственного электрического шума (малошумящий), коэффициент усиления его относительно невелик. Главная задача усилителя обеспечить требуемое отношение сигнал шум на выходе смесителя

После смесителя сигнал поступает в усилитель промежуточной частоты, который имеет большой коэффициент усиления, обеспечивает основное усиление, и УПЧ содержит узкополосный фильтр, который подавляет помехи, расположенные рядом с сигналом по частотной оси (соседние помехи).

Чтобы упростить реализацию многозвенного высокоселективного фильтра УПЧ гетеродин, входную цепь и УРЧ перестраивают по частоте одновременно так, чтобы выполнялось .

Совокупность входной цепи и УРЧ – преселектор, т.к. эта совокупность очищает сигнал лишь от побочных помех.

Сравним сложность реализации супергетеродинного приемника и приемника прямого усиления, рассмотренного ранее.

Полосовые фильтры, входящие в состав входной цепи и УРЧ приемника прямого усиления должны быть многозвенными высокоселективными, т.к. необходимо обеспечить подавление соседних помех.

Полосовые фильтры преселектора в супергетеродине проще, т.к. подавляются побочные помехи, которые далеко отстоят по частоте от сигнала.

Сложность УРЧ приемника прямого усиления много выше УРЧ супергетеродина, т.к. здесь реализуется очень большой коэффициент усиления, здесь реализуется основное усиление сигнала, в то время как УРЧ преселектора является однокаскадным – двукаскадным усилителем.

Зеркальный канал приема.







Если на вход ПЧ поступает зеркальная помеха, частота которой отличается от частоты гетеродина, также на как и частота сигнала, то она перенесется на промежуточную частоту и при дальнейшей обработке сигнала нельзя будет подавить эту помеху. Борьба с ней – установка полосового фильтра перед ПЧ.

.

Мы рассмотрели нижнюю настройку гетеродина.

В случае верхней настройки гетеродина:









.


^ 6. Комбинационные каналы приема.

В общем случае реальный перемножитель вносит нелинейные искажения как во входное колебание, так и в колебание гетеродина. Эти колебания обогащаются своими гармониками. Поэтому в перемножителе осуществляется перемножение совокупности гармоник колебания гетеродина и входного колебания.

В результате на выходе перемножителя образуется совокупность спектральных компонентов, частоты которых являются линейными комбинациями частот колебаний гетеродина и входного колебания.

где n и m – 0,1,2,3,4,… - целые числа.

Для дальнейшей обработки сигнала представляют интерес те спектральных компоненты, которые пройдут через полосовой фильтр смесителя.



Определим те значения частот входного колебания, для которых выполняется данное условие.



В частном случае для m=n=1 имеет место прием сигнального и зеркального колебания. Если же m и n > 1, то говорят, что имеет место прием по комбинационным каналам приема или присутствуют комбинационные помехи.

Комбинационные помехи подавляются до преобразователя частоты полосовым фильтром.

Так как с ростом значений m и n наблюдается тенденция уменьшения уровня гармоник, то наиболее “неприятными” для приема помехами являются те, у которых m+n не вилика.


^ 7. Супергетеродин с двукратным преобразованием частоты.

С
Преселектор

См1

УПЧ1
труктура супергетеродина с двухкратным преобразованием частоты.




См2

УПЧ2
[fC] [fПЧ] [fПЧ2]










Гет2

Гет2



По сути, данная структура – последовательное соединение двух линейных трактов с однократным преобразованием частоты.

Преселектор обеспечивает подавление первой зеркальной помехи (первое преобразование частоты).

УПЧ1 выполняет роль преселектора для второй структуры супергетеродина. Он обеспечивает подавление второй зеркальной помехи (второе преобразование частоты).

Рассмотрим зависимость уровня подавления помех от выбора промежуточных частот.



.

.

Сравним уровни подавления помех в структуре с однократным и с двухкратным преобразованием частоты.

Покажем, что в двухкратном степень подавления выше.





- с однократным,

- с двухкратным.




двухкрат. однократ.




.

Доказано, что если степень подавления зеркальной помехи в структуре с однократным преобразованием частоты равна степени подавления первой зеркальной помехи в структуре с двухкратным преобразованием частоты, то степень подавления всех помех с двухкратным преобразованием частоты больше, чем в однократном преобразовании частоты.

Если подбором промежуточных частот не удается обеспечить требуемые уровни подавления зеркальных и соседних помех, то переходят к структуре с трехкратным преобразованием частоты.

8. Инфрадин.
В ряде случаев приходится перестраивать приемник в очень широком диапазоне частот (1,5 – 30 МГц – КВ связь).

Если количество поддиапазонов велико, то в состав преселектора входит большое количество полосовых фильтров или переключаемых катушек индуктивности, а также большое количество коммутационных элементов высокого качества (они должны работать со слабыми сигналами).

В этом случае все наиболее мощные каналы побочного приема оказываются за пределами частотного диапазона приемника, поэтому их можно подавить простым полосовым фильтром, полоса пропускания которого равна рабочему диапазону приемника.






АЧХ преселектора










Следует, что зеркальная помеха и помеха прямого прохождения оказываются за пределами частот приемника, следовательно, установив в преселекторе полосовой фильтр с полосой, равной - мы обеспечиваем подавление всех указанных побочных помех.

Недостатки:

  1. Чтобы обеспечить хорошее подавление соседних помех используют двойное преобразование частоты, которое характеризуется малой второй промежуточной частотой. Инфрадин – это как правило структура с двухкратным преобразованием частоты.

  2. Так как фильтр приемника имеет широкую полосу, то мощность помех очень большая, высока вероятность нелинейного режима работы УРЧ и смесителя. Чтобы исключить нелинейный режим приборы УРЧ используют с широким динамическим диапазоном.

  3. Так как частота гетеродина очень велика, то становится и большой абсолютная нестабильность частоты гетеродина. Колебания частоты гетеродина приводит к колебанию промежуточной частоты.



АЧХ УПЧ2

расширенная АЧХ



спектр сигнала








Чтобы исключить искажения спектра сигнала при колебаниях промежуточной частоты приходится расширять полосу пропускания фильтра УПЧ2, при этом снижается степень подавления соседних помех, увеличивается мощность шума в полосе пропускания, следовательно, снижается отношение с/ш на выходе линейного тракта, что ведет к потере чувствительности.

Чтобы уменьшить абсолютную нестабильность частоты генератора применяют дорогостоящий синтезатор частоты.

Инфрадины широко применяются в коротковолновых связях.
^ 9. Источники электрического шума в линейном тракте.

Наличие электрического шума элементов тракта приводит к возникновению дополнительных внутриполосных помех.

Шумы обусловлены пассивными и активными радиоэлементами. Основной источник шума пассивных – резисторы. Здесь электрический шум обусловлен тепловыми флуктуациями зарядов в проводнике. Чем выше температура, тем выше флуктуации и больше мощность электрического шума. Данный вид шума называется тепловым.

В диапазоне радиочастот тепловой шум является белым и гауссовым.

Спектральная плотность мощности шума определяется формулой Найквиста.


R

R






Эквивалентные схемы реальных конденсаторов и катушек индуктивности содержат сопротивление, которое отражает потери в этих радиоэлементах.

Поэтому реальные конденсаторы и катушки индуктивности создают электрический шум. Идеальные конденсаторы и катушки индуктивности не создают шумов.
^ 10. Коэффициент шума и шумовая температура.

Для количественной характеристики шумовых свойств электрических схем вводится понятие шумящего четырехполюсника.

Шумящий четырехполюсник – любой фрагмент схемы, содержащий источник шума. Он часто заменяется эквивалентной схемой, которая состоит из нешумящего четырехполюсника и источников шумовых ЭДС и токов, включенных на его входе.



1 2 1 2
1’ 2’ 1’ 2’
Шумовые свойства шумящего четырехполюсника количественно оцениваются коэффициентом шума. Коэффициент шума показывает во сколько раз уменьшится отношение с/ш при прохождении сигнала через шумящий четырехполюсник.

составляющая шума на выходе четырехполюсника, которая обусловлена шумом источника сигнала.

Таким образом коэффициент шума трактуется как отношение суммарной мощности шума на выходе к составляющей, обусловленной шумом источника сигнала.

составляющая шума, обусловленная собственным шумом

.

Понятие коэффициента шума успешно используется при оценке качества сигнала при прохождении его через шумящий четырехполюсник.

Однако этот параметр затрудняет сравнение шумящих четырехполюсников по их шумовым свойствам, так как в выражении для коэффициента шума присутствует шум источника сигнала.

Чтобы процесс легче осуществлял сравнение вводится еще один параметр, его собственная температура.

Шумовая температура.

Рассмотрим согласованное подключение источника сигнала к четырехполюснику, считая, что шум источника сигнала создается лишь его внутренним сопротивлением.

Предположим, что четырехполюсник не создает собственного электрического шума. Подогреем внутреннее сопротивление до такой температуры, чтобы шум на выходе четырехполюсника сравнялся с шумом реальной схемы.

Необходимая добавка температуры для внутреннего сопротивления источника сигнала называется собственной шумовой температурой четырехполюсника.


Ec Rвх Rвых Rн Rc=Rвх, Rвых=Rн




Определим составляющую шума, которая обусловлена источником сигнала.

.

Rc
Rвх Rc= Rвх.



.

Область частот , в которой производится анализ шумовых свойств четырехполюсника, определяется полосой пропускания полосового фильтра, входящих в линейный тракт. Любой полосовой фильтр имеет собственные электрические потери. Поэтому он создает электрический шум.

Спектральная плотность мощности шума на выходе фильтра неравномерна и поэтому шум на выходе фильтра небелый. Для упрощения расчетов его заменяют эквивалентным белым, спектральная плотность которого определяется сопротивлениями потерь, а полоса частот действия этого шума определяется шумовой полосой .

, - шум четырехполюсника,

, приведенный к его входу.
.


Определим при реальных условиях эксплуатации четырехполюсника если известно паспортное значение , которое определяется обычно при .









.

Иногда при расчетах используется чисто формальные параметры, характеризующие шумовые свойства четырехполюсника: шумовая проводимость и шумовое сопротивление. Они предназначены, чтобы заменить в расчетных схемах источники шумового ЭДС на шумовую проводимость и шумовой ток на шумовое сопротивление.
^ 11.Шумовая температура антенны. Коэффициент шума пассивного устройства.

Рассмотрим понятие шумовой температуры, распространяющейся на характеристику приемных антенн, в частности для характеристики приема шумового излучения из космоса и атмосферы.

^ Шумовой температурой антенны называется такая абсолютная температура, до которой требуется нагреть полное сопротивление антенны , чтобы мощность шума источника сигнала с данным внутренним сопротивлением было равно на выходе антенны в реальности.

В общем случае на выходе антенны определяется не только мощностью принимаемого шумового излучения, но и мощностью потерь в антенне.

Потери в антенне характеризуются сопротивлением потерь .











шумовая температура антенны.

Коэффициент шума пассивного устройства.

Определим коэффициент шума пассивного устройства в режиме согласования.

В дальнейшем анализ шумовых свойств будем проводить в режиме согласования.

Пассивный четырехполюсник.





Так как эквивалентная схема для расчета на выходе такая же как и эквивалентная схема для расчета на входе, то и мощность шума на выходе:

,

, где - коэффициент передачи по мощности.

Коэффициент шума пассивного устройства обратно пропорционален его коэффициенту передачи по мощности.

Определим коэффициент шума пассивного устройства, когда температура источника сигнала и температура пассивного устройство не равны.




^ 12. Коэффициент шума последовательности шумящих четырехполюсников.
Часто возникает задача, где известны характеристики нескольких шумящих 4х полюсников. Необходимо определить коэффициент шума последовательности этих 4х полюсников.







Для уменьшения Кш ЛТ необходимо обеспечить достаточно большой коэффициент передачи по мощности УРЧ, малые потери в пассивном устройстве и малые значения собственного шума УРЧ. При таких условиях шум всех каскадов стоящих после УРЧ сказывается мало на Кш ЛТ. Если фидер имеет очень большое затухание, то установкой антенного усилителя можно исключить его влияние на чувствительность приемного устройства, при этом Кш ЛТ определяется лишь Кш антенного устройства.


^ 13.Чувствительность приемного устройства.

Чувствительность характеризует способность приемника принимать слабый сигнал на фоне внутриполосных помех. Часто чувствительность приемника задается минимальным уровнем ЭДС сигнала в антенне, при котором качество сигнала на выходе приемника удовлетворяет минимальным требованиям.

Рассмотрим связь чувствительности приемника с параметрами линейного тракта и антенны.

Зададим отношение сигнал-шум на выходе линейного тракта

Считаем, что антенна согласована с приемником и все шумы, созданные антенной, характеризуются шумовой температурой ТА.



Считаем, что ЕА соответствует чувствительности приемника. Найдем:

- шумовая температура линейного тракта.

, т.е. чувствительность приемника определяется сумой шумовых температур антенны и линейного тракта.

Для СВЧ приемников чувствительность удобнее характеризовать не минимально возможной ЭДС в антенне, а минимально допустимой мощностью, выделяемой на входе приемника:

Если приемники имеют переменную полосу пропускания, то чувствительность удобно характеризовать минимально допустимой удельной мощностью сигнала на входе приемника:

где Т0 – паспортное значение шумовой температуры, - относительная шумовая температура, кТ0=4*10-21 Вт/Гц.

Чувствительность часто задается в единицах кТ0 (например, чувствительность равна 4кТ0=16*10-21В/Гц).

^ 14.Основные нелинейные эффекты в линейном тракте.

Мощные внеполосные помехи создают ряд нелинейных эффектов: блокирование сигнала, перекрёстная модуляция и интермодуляция. Блокирование сигнала проявляется в виде снижения коэффициента передачи полезного сигнала в тракте при воздействии мощных внеполосных помех. Существует несколько механизмов воздействия мощной помехи на коэффициент передачи линейного тракта. Рассмотрим наиболее наглядный механизм, который проявляется в схеме усилителя с транзистором, включенным по схеме с общим эмиттером. Наличие мощной помехи увеличивает постоянную составляющую тока коллектора. За счет обратной связи по постоянному току через резистор эмиттера происходит подзапирание транзистора, рабочая точка смещается в область меньших токов, а следовательно в область меньшей крутизны транзистора. Если одновременно с помехой присутствует полезный сигнал, то для него происходит уменьшение коэффициента передачи каскада за счет снижения крутизны транзистора.

^ Перекрестная модуляция.

При перекрестной модуляции происходит перенос закона амплитудной модуляции помехи на сигнал – сигнал приобретает модуляцию помехи. Если помеха амплитудно модулирована, то рабочая точка УРЧ скользит по переходной характеристике транзистора в соответствии с законом модуляции помехой. По такому же закону меняется крутизна транзистора, а следовательно коэффициент передачи УРЧ. Полезный сигнал, проходя через усилитель с переменным во времени коэффициентом передачи, приобретает амплитудную модуляцию помехи.

Интермодуляция.

Явление интермодуляции состоит в том, что сумма 2х и более гармонических внеполосных помех за счет нелинейности амплитудной характеристики функционального узла, создает составляющие в полосе пропускания приемника.

Если сумму 2х гармонических сигналов подставить в выражение для степенного ряда , то можно показать, что на выходе нелинейного элемента присутствует сумма гармоник колебаний. где m и n=0,1,2,… .

Наиболее мощными являются колебания гармоник с малыми значениями m и n. Рассмотрим самую мощную: m=1, n=2, . Пусть имеет место воздействие 2х гармонических помех, которые на частотной оси расположены по 1 сторону от сигнала и находятся на равном расстоянии.



При данной помеховой ситуации происходит прохождение колебаний в полосу пропускания приемника.

Пусть , где F- небольшое значение частоты. Если учитывать на выходе УПЧ наличие помимо сигнала ещё составляющую , то можно утверждать, что в данном случае возникает явление биений 2х гармонических составляющих с близкими частотами. Изменение амплитуды суммарного сигнала с частотой фиксирует демодулятор, на его выходе появляется паразитная спектральная составляющая с частотой .

Методы борьбы с нелинейными эффектами.

  1. Использование усилительных приборов с широким динамическим диапазоном.

  2. Повышение избирательности фильтров, стоящих до усилительных приборов.

  3. Установка аттенюатора на входе приемника. Данный метод применим, если имеется запас по мощности сигнала.


^ 15.Частотная избирательность приемного устройства. Полоса пропускания.

Избирательность характеризует способность приемника выделять полезный сигнал из окружения мощных внеполосных помех.

Величина избирательности показывает, во сколько раз помеха может превышать оговоренный уровень сигнала на входе приемника, чтобы качество сигнала выходе приемника соответствовало минимальным требованиям.

, где - напряжение помехи, отстроенной от сигнала на величину Δf, - напряжение полезного сигнала.

Так как внеполосные помехи могут быть мощными, возникает задача способности приемника принимать полезные сигналы при одновременном воздействии внеполосных помех, которые вызывают нелинейные эффекты в линейном тракте.

С этой целью оценку избирательности приемника производят имитируя помеховую обстановку в реальности. Т.к. в реальности источников помех должно быть несколько, то при измерении избирательности используют столько генераторов, сколько источников помех ожидается в реальности.

С целью сокращения затрат на измерения используют 2 или 3 генератора. Один из них имитирует сигнал, другой имитирует зеркальную, либо соседние помехи. Если используется 2 помеховых генератора, то исследуется явление интермодуляции. Если уровень внеполосных помех таков, что нелинейные эффекты в линейном тракте незначительны, и ими можно пренебречь, то оценку избирательности приемника можно упростить, используя односигнальную методику измерения. В этом случае один генератор поочередно настраивается на частоту полезного сигнала и на частоты всех помех. В данном случае справедлив метод суперпозиции.


^ 16.Автоматическая подстройка частоты гетеродина. Линейный режим.

Радикальным средством повышения стабильности частоты гетеродина является использование синтезатора частоты. Однако в ряде случаев включение синтезатора в состав приемника настолько повышает его стоимость, что теряется целесообразность его использования. В этом случае целесообразно использовать систему АПЧГ. Рассмотрим обобщенную структуру АПЧГ.
Если под воздействие дестабилизирующих факторов меняется частота гетеродина (ГУН), то на эту же величину меняется fПЧ. Это отклонение фиксируется дискриминатором, на выходе которого формируется напряжение, знак и величина которого соответствуют отклонению частоты. После фильтрации в ФНЧ напряжение воздействует на управляющий элемент (часто варикап), который компенсирует отклонение частоты ГУН.

Если дискриминатор является частотным, то имеет место ЧАП, если отклонение частоты фиксируется с точностью до фазы и дискриминатор фазовый, то это ФАПЧ, и в этом случае в состав системы входит кварцевый генератор.

Проанализируем простейший вариант в виде ЧАП. Различают 2 режима работы ЧАП- линейный и нелинейный. Если отклонение частоты гетеродина от требуемого значения мало и нелинейные свойства частотного дискриминатора проявляются слабо, то имеет место линейный режим, в противном случае – нелинейный.

Линейный режим.

Пусть под воздействием дестабилизирующих факторов fг отклонилась на Δf гетеродина. С целью упрощения fПЧ=fГ- fС – т.е. верхняя настройка гетеродина. За счет действия системы АПЧ расстройка гетеродина уменьшается.

ΔfГост.=ΔfПЧост. – отклонение ПЧ от требуемого значения.

ΔfГост.= ΔfГ- ΔfГрег., где ΔfГост. – регулирующее воздействие с выхода управляющего элемента.

ΔfГост≈Sупр.Uдискр., где Sупр. – крутизна управляющего элемента (считаем характеристику управляющего элемента линейной), .Uдискр≈ Sд Δfост., Sд крутизна дискриминатора.



где - коэффициент частотной автоподстройки (КЧАП).

КЧАП показывает, во сколько раз уменьшается отклонение частоты гетеродина при использовании ЧАП. Увеличение КЧАП приводит к снижению устойчивости системы АПЧ. Для её повышения увеличивают постоянную времени ФНЧ – растёт инерционность системы. Система не успевает отрабатывать быстрые изменения частоты гетеродина, поэтому КЧАП, также как постоянная времени ФНЧ выбирают исходя из условий компромисса между противоречивыми требованиями: увеличение точности и быстродействия.

Обычно в расчетах КЧАП не более 20-25. Если рассматривать воздействие дестабилизирующих факторов как некое возмущение, прикладываемое ко входу ГУН, то относительно этого возмущения система ведёт себя как ФНЧ, то есть НЧ возмущения подавляются, а ВЧ проходят на выход системы без изменений.
^ 17.Нелинейный режим автоматической подстройки частоты гетеродина. Особенности эксплуатации приемного устройства.

Если отклонение частоты гетеродина настолько велико, что работа частотного детектора (ЧД) характеризуется областью вершины его характеристики, то система переходит в нелинейный режим.

С целью упрощения анализа нелинейного режима АПЧ проводят его с помощью графических построений.

ΔfОСТ = ΔfГЕТ - ΔfРЕГ

ΔfГЕТ = ΔfОСТ + ΔfРЕГ

Необходимо найти зависимость ΔfОСТ от ΔfГЕТ:



ΔfРЕГ ≈ SУПР ∙ UРЕГ (UД)

UД = UЧД

Проанализируем поведение АПЧГ при изменении возмущающего воздействия от малого до большого значения. Как только возмущающее воздействие станет на столько большим, что система АПЧГ перейдет в положение характеризующееся точкой а1 , происходит смена знака в петле обратной связи (О.С.) системы автоматической регулировки. Система с отрицательной обратной связью превращается в систему с положительной обратной связью. Это объясняется тем, что точке а1’ на характеристике ЧД любое сколь угодно малое увеличение ΔfОСТ для точки а1’ вызывает уменьшение регулирующего воздействия. Это приводит к увеличению ΔfОСТ. Процесс лавинообразно развивается, система АПЧ скачком переходит в выключенное состояние, которое характеризуется точкой d1.

Если от точки d1 двигаться до b1 , то система АПЧ фактически остается в выключенном состоянии (система авто регулирования имеет положительную О.С. но с малым коэффициентом усиления). Точка b1 соответствует точке b1 на характеристике ЧД. Крутизна этой характеристики становится достаточно большой, чтобы система автоматического регулирования перешла в режим самовозбуждения. При этом уменьшение ΔfОСТ относительно точки b1 приводит к увеличению ΔfРЕГ, который в свою очередь уменьшает ΔfОСТ.

ΔfОСТ быстро уменьшается, система АПЧ из выключенного состояния скачком переходит во включенное, которое характеризуется точкой с1.

Проекции точки а1 на ось ΔfГЕТ называется Полосой удержания, b1 – Полосой захвата.

Полосой удержания – это максимально возможная расстройка частоты гетеродина под воздействием дестабилизирующих факторов, при которой система АПЧ работает если в предыдущие моменты времени она также находилась в рабочем состоянии.

Полоса захвата - это максимально возможная расстройка частоты гетеродина под воздействием дестабилизирующих факторов, когда система АПЧ уже работает, если в предыдущие моменты времени она также находилась в нерабочем состоянии.

Нерабочее состояние: 1) система АПЧ выключена

2) очень большая расстройка частоты гетеродина

Наличие нелинейного режима системы АПЧ обуславливает некоторые особенности эксплуатации радио приёмного устройства. Рассмотрим процесс перестройки приемника с одной рабочей частоты на другую.

Пусть точка fГ1 соответствует настройке приемника на какую-то рабочую частоту.



Как только расстройка частоты гетеродина превысит ПУД(полоса удержания), происходит скачкообразное изменение частоты гетеродина и она принимает значение fГ3’. Если рядом с этой точкой расположена настройка приёмника fГ3, которая соответствует частоте полезного сигнала fС3, то произойдёт захват частоты гетеродина и приёмник настроится на частоту сигнала fС3. Настройка приёмника “перепрыгнет” через требуемую частоту fС3.

Для осуществления правильной настройки необходимо сначала отключить АПЧ, затем перестроить приёмник до нужной частоты, и затем включить АПЧ.

  1   2   3   4   5   6



Скачать файл (2282.3 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации