Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Прием и обработка сигналов - файл Конспект лекций 03.11.06.doc


Лекции - Прием и обработка сигналов
скачать (1597.1 kb.)

Доступные файлы (1):

Конспект лекций 03.11.06.doc6127kb.03.11.2006 16:48скачать

содержание

Конспект лекций 03.11.06.doc

1   2   3   4   5


Второй контур состоит из индуктивности и емкости , а также емкости монтажа и входной емкости следующего (второго) каскада:



Второй контур настраивается на рабочую частоту конденсатором . Значение и характер изменения коэффициента усиления каскада по диапазону зависят от собственной резонансной частоты первого контура ( - ). В зависимости от соотношения частот этих двух контуров и возможны три режима работы усилителя (рис. 4): режим удлинения - 2, режим укорочения – 1 и средний режим – 3.




Рис. 4 Зависимость резонансного коэффициента усиления УРЧ от частоты в пределах поддиапазона.


Когда резонансная частота первого контура меньше резонансной частоты второго контура, то второй контур имеет индуктивный характер. А когда частота первого контура выше резонансной частоты второго контура – то емкостный характер.

Зависимость резонансного коэффициента усиления УРЧ от частоты получается аналогичной как коэффициент передачи входной цепи с комбинированной связью (рис. 5).




Рис. 5 Характер реактивного сопротивления контура ( , ) в зависимости от частоты контура (, ).


В результате изменения внешних условий параметры усилительного прибора и других элементов схемы могут изменяться и вызывать изменения параметров усилителя в целом. Особенно сильное влияние на устойчивость работы усилителя оказывает положительная обратная связь. При выполнении условий баланса фаз и баланса амплитуд возникает самовозбуждение усилителя. В результате усилитель превращается в автогенератор, т.е. работает неустойчиво. Под устойчивой работой усилителя понимают такой режим его работы, при котором он не только не самовозбуждается, но и далек от самовозбуждения и сохраняет постоянство параметров в процессе эксплуатации. Обратные связи в усилителе создаются следующим образом:

1 – через внутреннюю обратную связь в усилительном приборе (емкость коллектор-база).

2 – через общие источники питания.

3 – через индуктивные и емкостные связи отдельных каскадов.

Наличие внутренней проводимости () в усилительных приборах приводит к влиянию этой проводимости на параметры контура и вызывает изменения АЧХ усилителя. Степень изменения АЧХ усилителя и основных его параметров характеризуется коэффициентом устойчивости .



где , , П – соответственно эквивалентное резонансное сопротивление, добротность и полоса пропускания без учета влияния обратной связи, а , , П с учетом влияния обратной связи. Коэффициент устойчивости может быть от 0 до 1 и чем он ближе к 1, тем больше запас устойчивости и тем дальше усилитель от самовозбуждения. Обычно коэффициент устойчивости равен 0.8 – 0.9.

При этом изменение параметров усилителя будет составлять 10 – 20 %, что допустимо.


Искажение формы АЧХ будут тем сильнее, чем больше коэффициент усиления УРЧ. Для нормальной работы усилителя необходимо уменьшить изменение АЧХ под действием внутренней обратной связи.

Поэтому следует определить максимальный устойчивый коэффициент усиления, при котором искажения будут допустимыми. Для одноконтурного усилителя:



где, – крутизна характеристики усилительного прибора, ω – рабочая частота, – проходная емкость для транзистора.

Если рассчитанный коэффициент усиления по выражению оказывается больше, чем , то его надо уменьшить, ослабив связь контура усилителя с усилительным прибором. Условием устойчивости является выполнение неравенства .

Методы повышения устойчивости работы УРЧ:

1 – применение транзисторов с минимальной внутренней обратной связью или большим отношением .

2 – нейтрализация внутренней обратной связи или каскадное включение транзисторов.

3 – включение транзистора по схеме ОБ (с общей базой).


Усилители промежуточной частоты (УПЧ)

К УПЧ относятся каскады РПУ, которые усиливают принимаемый сигнал на постоянной промежуточной частоте. В радиовещательных приемниках АМ - сигналов ПЧ обычно выбираются порядка 465 кГц, при приеме ЧМ - сигналов – 10 МГц. Полоса пропускания частот УПЧ связных приемников с АМ - модуляцией равна 6 кГц, радиовещательных – 9-13 кГц, а при ЧМ – 250 кГц.

УПЧ обеспечивают основное усиление сигнала для нормальной работы детектора и основную избирательность по соседнему каналу. Для этого УПЧ должен иметь большой коэффициент усиления. Обычно УПЧ состоит из 2-3 и более каскадов. Отличительной особенностью УПЧ является то, что частота усиленного сигнала - постоянна. Она не изменяется при изменении частоты принимаемого сигнала, если приемник перестраивается на другую станцию. Это дает возможность применять в УПЧ сложные избирательные цепи, обеспечивающие частотные характеристики близкие к прямоугольным. Работа УПЧ аналогична УРЧ, только вместо частоты сигнала нужно иметь ввиду промежуточную частоту, поэтому коэффициент усиления по напряжению однокаскадного УПЧ такой же, как у УРЧ: ., но избирательность одноконтурного УПЧ невысокая из-за небольшого коэффициента прямоугольности его АЧХ. Его применение ограничено. Применение в УПЧ двухконтурных (полосовых) фильтров позволяет улучшить параметры усилителя, особенно избирательность. Связь между контурами полосового фильтра может быть индуктивной, внешне емкостной, внутри емкостной и комбинированной (Рис. 1).



Рис.1 Связь между контурами.




Рис. 2 Двухконтурный УПЧ


Коэффициент усиления каскада УПЧ по напряжению:

(3)

где – коэффициент передачи полосового фильтра:

(4)



M – взаимоиндукция.

Резонансный коэффициент усиления каскада УПЧ:

(5)

Коэффициент усиления двухконтурного, полосового УПЧ зависит от фактора связи между контурами β (Рис. 3). Возможно три случая связи:

β1 < 1 – слабая связь

β2 = 1 – критическая связь

β3 > 1 – сильная связь

Наибольшее значение принимает при критической связи (при β = 1 = 0.5), тогда коэффициент усиления:

Улучшение свойств избирательности системы идет по линии усложнения фильтров. Разновидностью таких систем являются фильтры с сосредоточенной селекцией (ФСС – рис.4) электрические, пьезоэлектрические, электромеханические, пьезокерамические и пьезомеханические.




β3 > β2 > β1


Рис. 3 АЧХ полосового фильтра при различной связи




Рис. 4 Схема фильтра сосредоточенной селекции (ФСС).


Преобразователи частоты

Преобразователем частоты (ПЧ) называется каскад РПУ, в котором осуществляется преобразование колебаний принимаемых сигналов одной радиочастоты в колебания промежуточной частоты. ПЧ должны выполнять следующие функции:

1. Преобразование несущей частоты сигнала в – в промежуточную частоту. Для этого нужен нелинейный элемент.

2. Сохранение закона модуляции исходного сигнала. Для этого нужен линейный элемент.

3. Выделение напряжения промежуточной частоты на выходе преобразователя. Эту функцию выполняет избирательная система.

Первые две функции (1 и 2) выполняет усилитель на транзисторе. Для больших амплитуд, приложенных ко входу напряжения транзистор будет нелинейным прибором. Для малых амплитуд можно выбрать участок характеристики близкий к линейному и рассматривать транзистор как линейный элемент (Рис.1).




Рис. 1 ВАХ транзистора.


Огибающая модулирующего сигнала не должна быть искажена. Поэтому напряжение сигнала на входе преобразователя должно быть малым, чтобы транзистор был для него линейным элементом. Чтобы транзистор был одновременно и нелинейным элементом на его вход надо подавать напряжение гетеродина значительно большей амплитуды (т.е. ). В ПЧ происходит перемножение двух напряжений. На выходе ПЧ выделяется напряжение промежуточной частоты . Преобразовательный прибор вместе с избирательной цепью называется смесителем. На вход ПЧ подается напряжение сигнала, представляющее амплитудно-модулированное колебание:



и напряжение гетеродина:



Под действием сравнительно большего напряжения гетеродина (, ≈ 10 В, ≈ 1 мВ) изменение характеристики преобразовательного прибора носит периодический характер:



Затем пишем выражение для тока сигнала на выходе ПЧ:



и потом, после математического преобразования:

Избирательная цепь на выходе ПЧ настроена на промежуточную частоту . Поэтому на выходе ПЧ выделяется напряжение промежуточной частоты:



Диодный преобразователь частоты

В большинстве СВЧ – приемников в качестве преобразующих элементов (ПЭ) преобразователями частоты (ПЧ) используются кристаллические диоды, обладающие малым временем пролета электронов (малой инерционностью) и сравнительно малыми шумами. Такие ПЧ применяют в РПУ КВ-диапазона. Схема диодного ПЧ приведена на рис.1.



Рис. 1 Диодный ПЧ.


Фильтр настроен на промежуточную частоту (). Частичное подключение диода к входному и выходному контурам снижает шунтирующее действие на них сопротивление диода. В реальных конструкциях диодных ПЧ СВЧ-входной контур выполняют в виде отрезка полосковых или коаксиальных линий, а также в виде объемных резонаторов. В некоторых ПЧ предусматривают источник напряжения смещения Е, оптимизирующий рабочий участок ВАХ диода.

Достоинства:

- простота схемы

Недостатки:

- отсутствие усилительных свойств

- цепь сигнала и гетеродина сильно взаимозависимы. На выходе должна быть сложная фильтрующая система, так как на выходе много комбинационных частот.


Балансные преобразователи частоты

Балансные ПРЧ (или ПЧ) - представляют собой соединение двух небалансных преобразователей.




Рис. 1 Балансный ПЧ.


В зависимости от подачи напряжения и на ПЭ (преобразовательный элемент) возможно два варианта построения балансных ПРЧ.

При первом варианте напряжение сигнала на ПЭ равны по значению, но противоположны по фазе (противофазные сигналы). Напряжение гетеродина на обоих ПЭ (на обоих диодах) равны по значению и синфазны.

При втором варианте напряжение сигнала - синфазное, а напряжение гетеродина – противофазное.

Общим для обоих вариантов построения балансных ПРЧ является то, что из двух подводимых напряжений и одно действует на оба диода синфазно, а другое - противофазно. Напряжение на выходе балансного ПРЧ как правило определяется разностью выходных токов ПЭ (преобразовательного элемента, или диодов). Балансный ПРЧ имеет свойства, аналогичные свойствам двухтактного усилителя, такие как:

- компенсация всех помех от любых источников на выходе каскада при их синфазном воздействии на ПЭ. При этом на выходе ПРЧ нет напряжения шумов гетеродина, а во входную цепь приемника не просачивается напряжение с частотой гетеродина.

- компенсация четных гармоник токов ПЭ в нагрузке, что приводит к уменьшению в балансном преобразователе числа побочных каналов.


Кольцевые ПРЧ

Для повышения развязки между цепями сигнала и гетеродина, а так же для обеспечения практически полного исключения прохождения сигнала гетеродина в цепи промежуточной частоты используют двойные балансные ПРЧ, получившие название кольцевых ПРЧ. На рис. 1 приведена схема кольцевого ПРЧ.



Рис. 1 Кольцевой ПЧ.


Напряжение сигнала через согласующую катушку связи со средней точкой подаётся в первую диагональ моста, а во вторую диагональ моста включена катушка связи с фильтром промежуточной частоты. Напряжение гетеродина подключено между средними точками катушек связи. На выходе кольцевого ПРЧ при высокой симметрии плеч обеспечивается подавление побочных эффектов преобразования. Данные ПРЧ используют в диапазоне частот до 100 МГц в РПУ КВ-диапазона.

Достоинства данных ПРЧ по сравнению с балансными:

- коэффициент передачи в два раза выше (двухполупериодное преобразование)

- меньший уровень комбинационных частот (г ± ωс).


Транзисторные преобразователи частоты (ТПЧ)

В ТПЧ в качестве преобразующего элемента используют биполярный или полевой транзистор. Под действием напряжения гетеродина периодически с частотой изменяется во времени крутизна S транзистора, за счет чего и происходит преобразование частоты.

По аналогии с усилителем в ТПЧ напряжение сигнала может подаваться как в цепь базы (рис.1а) – схема с ОЭ, либо в цепь эмиттера (схема с ОБ – рис. 1б).



а) б)

Рис. 1 Транзисторный преобразователь частоты (ТПЧ).


На рис. 1а показана упрощенная схема по переменному току ТПЧ с ОЭ, в котором напряжение сигнала подано в цепь базы транзистора, а напряжение гетеродина – в цепь эмиттера. Для сигнала транзистор включен по схеме с ОЭ, а для гетеродина - по схеме с ОБ.

На рис. 1б показана схема ТПЧ с общей базой. В этой схеме напряжение сигнала подано в цепь эмиттера транзистора, а напряжение гетеродина – в цепь базы (для гетеродина это схема с ОЭ). В обоих преобразователях суммарное напряжение сигнала и гетеродина действует между эмиттером и базой. В преобразователе с ОЭ (рис. 1а) входной ток с частотой сигнала определяется током базы, а в преобразователе с ОБ (рис. 1б) – током эмиттера. Поскольку ток базы меньше тока эмиттера преобразователь с ОЭ потребляет от истчника сигнала меньший ток по сравнению с преобразователем с ОБ. Напряжение гетеродина можно подавать в цепь совместно с напряжением сигнала, однако при этом между цепями сигнала и гетеродина возникает связь, которая может привести к:

а) к взаимному влиянию настройки контуров сигнала и гетеродина,

б) к просачиванию напряжения с частотой сигнала в цепь гетеродина, что может вызвать синхронизацию гетеродина напряжением сигнала,

в) к излучению антенной приемника напряжение частотой гетеродина, если контур является входным, что создает помехи близко расположенным другим РПУ.

Для ослабления обозначенных отрицательных явлений напряжение сигнала и гетеродина подаются в различные цепи транзистора.

Схема преобразователя частоты на биполярном транзисторе с отдельным гетеродином показана на рис. 2.



Рис. 2 Транзисторный преобразователь частоты.


Напряжение гетеродина вводится в цепь эмиттера, выходной фильтр настроен на промежуточную частоту, в качестве фильтра используют сложный фильтр сосредоточенной селекции. Схема ПРЧ с совмещенным гетеродином представлена на рис. 3.




Рис. 3 Схема транзисторного преобразователя частоты (ТПЧ) с совмещенным гетеродином.


Контур L1,C1 настроен на частоту сигнала. Контур L2,C2 – на частоту гетеродина, контур L3,C3 – на промежуточную частоту. Коллекторный ток транзистора содержит помимо составляющих с частотами () составляющую с частотой гетеродина (т.е. ), которая в ТПЧ с отдельным гетеродином отфильтровывалась, а в ТПЧ совмещенным гетеродином (рис. 7) используется для получения колебаний с частотой гетеродина. Для генерирования колебаний с частотой гетеродина предусмотрена индуктивная обратная связь через катушку с контуром L2,C2.

Настройка приемника осуществляется одновременным изменением емкости конденсаторов C1 и C2, контуров сигнала и гетеродина, которые обычно выбираются одинаковыми. При перестройке приемника необходимо обеспечить постоянную разность между частотами сигнала и гетеродина, т.е. получить . Реально это условие (сопряжение контуров) можно выполнить только в некоторых точках диапазона рабочих частот. Для обеспечения сопряжения контуров в контур гетеродина включают специальные конденсаторы и .

Достоинства ПРЧ по схеме рис. 2:

1. Простота регулировки.

2. Независимость режима работы гетеродина и смесителя (ПЧ).

3. Возможность использования транзистора с меньшей граничной частотой и малое влияние перестройки УВЧ на работу гетеродина.

Недостатки:

1. Сложность схемы.

2. Увеличение потребляемой энергии.

3. Возможность проникновения в антенну колебаний гетеродина.


Достоинства работы ПЧ по схеме рис. 3:

1. Простота и экономичность.

Недостатки:

1. Трудность обеспечения оптимального режима работы смесителя и гетеродина.

2. Низкая стабильность работы.

3. Сложность регулировки.

4. Высокий уровень нелинейных искажений.


Детекторы

Детекторы (Д) предназначены для преобразования спектра модулированного колебания с целью выделения из него модулирующего сигнала, несущего информацию. В зависимости от вида модуляции ВЧ-колебаний детекторы разделяются на АМ-детекторы, импульсные, частотные и фазовые. Основным требованием предъявляемым к детекторам является возможно более точное выделение и воспроизведение модулирующего сигнала.

АМД применяются в приемниках АМ-колебаний для преобразования ВЧ-колебаний модулированного по амплитуде в напряжение, изменяющееся по закону низкочастотного маодулирующего сигнала. Диодные АМД строятся по последовательной и параллельной схемам (рис. 1, а и б).



Рис. 1 а) Рис. 1 б)

Последовательный АМ-детектор Параллельный АМ-детектор


Работа детектора основана на односторонней проводимости диода. При подаче на вход АМД АМ-колебания, снимаемого с контура , входящего в УПЧ, ток через диод будет протекать в виде отдельных импульсов только во время положительных полупериодов входного напряжения (рис. 2).







Рис. 2 Временные диаграммы тока и напряжения в диодном амплитудном детекторе


Этот ток через малое внутреннее сопротивление открытого диода заряжает конденсатор до напряжения, близкого к амплитуде входных колебаний. При убывании тока и во время отрицательных полупериодов входного колебания конденсатор сравнительно медленно разряжается через резистор нагрузки . В результате на резисторе создается напряжение, которое воспроизводит закон изменения огибающей входного колебания, т.е. модулирующий сигнал. Процесс работы параллельного АМД не отличается от работы последовательного, но в параллельном АМД на резисторе нагрузки, не зашунтированным конденсатором действует напряжение высокой частоты. Для уменьшения этого напряжения на входе следующего каскада необходимо ставить ФНЧ (фильтр низких частот), либо снимать продетектированное напряжение с конденсатора С. В параллельном АМД резистор нагрузки через малое сопротивление конденсатора С по высокой частоте оказывается подключенным параллельно контуру УПЧ и ухудшает его частотные избирательные свойства. По своим свойствам параллельный детектор хуже последовательного и его применяют реже. Его применяют в тех случаях, когда на входе детектора действует потоянная составляющая напряжения и ее надо отфильтровать. В этом случае конденсатор С будет одновременно выполнять роль разделительного конденсатора. Различают два режима детектирования:

- детектирование больших сигналов на линейном участке ВАХ,

- детектирование малых сигналов на нелинейном участке ВАХ.

В детекторе возможно искажение из-за нелинейности ВАХ и из-за инерционности нагрузки детектора , и из-за влияния разделительной емкости и входного сопротивления следующего за детектором каскада (УЗЧ). В детекторе обычно используют линейное детектирование, т.к. сигналы на входе детектора после УПЧ достаточно большие. Искажения из-за инерционности возникают в том случае, когда разряд емкости меньше скорости изменения огибающей модулирующего напряжения. Искажения эти будут отсутствовать, если в любой момент будет выполняться условие:



Условие отсутствия искажений из-за инерционности нагрузки детектора можно записать следующим образом:



Это неравенство называется условием безинерционности детектора. Это условие должно выполняться при максимальной частоте модуляции Ω и при максимальном коэффициенте модуляции m = 0.6 – 0.8.

В практических расчетах следует полагать:



Но емкость
1   2   3   4   5



Скачать файл (1597.1 kb.)

Поиск по сайту:  

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