Бортовые приемные устройства

1.

Лекция 7. Бортовые приемные устройства
Рассматриваемые вопросы:
Принципы
построения
радиоприемных
устройств
бортового
оборудования. Технические параметры радиоприемников. Обобщенные
структурные схемы бортовых радиоприемников.
1

2.

7.1. Принципы построения радиоприемных устройств.
Устройство приема и обработки сигналов (УПОС) входит в состав любой радиосистемы и подключается
к выходу приёмной антенны или антенно-фидерного тракта, передающего сигнал от антенны на вход УПОС.
Принятый радиосигнал, содержащий передаваемое сообщение в законе модуляции одного или нескольких
параметров, проходит через УПОС, в котором осуществляются следующие преобразования:
Частотная селекция, благодаря которой радиосигнал очищается от совокупности помех, отличающихся от
радиосигнала частотой несущего колебания;
Обработки и детектирование (демодуляция) радиосигнала, в результате которых формируется сигнал,
воспроизводящий передаваемое сообщение, проводимая с целью ослабления вредного влияния помех и
дестабилизующих факторов, может проводится как до детектирования (обработка радиосигнала), так и
после детектирования (обработка в процессе демодуляции, обработка собственно сообщения);
Дополнительные преобразования сигнала-сообщения (усиление, детектирование и др.). необходимые для
нормальной работы оконечного устройства (потребителя).
Радиоприемное устройство (РПрУ) – это комплекс электрических цепей, функциональных узлов и
блоков, предназначенный для улавливания распространяющихся в открытом пространстве ЭМ колебаний в
радиочастотном (3 103 ... 3 1012Гц) и оптическом диапазонах (3 1012 ... 3 1016 Гц) и преобразования их к виду,
обеспечивающему использование содержащейся в них информации.
Радиоприемным устройством (РПрУ) называют систему взаимосвязанных узлов, с помощью которых
происходит извлечение энергии электромагнитного поля, селекция, усиление и преобразование
радиосигналов с целью получения заложенной в них информации.
2

3.

С помощью РПрУ реализуются следующие функции:
1) преобразование ЭМП в электрический сигнал и обеспечение пространственной и поляризационной
избирательности полезного радиосигнала с помощью приемной антенны;
2) выделение полезных радиосигналов из совокупности других сигналов и помех, действующих на
выходе приемной антенны и не совпадающих по частоте с полезным сигналом (частотная избирательность);
3) усиление принимаемых сигналов с целью обеспечения качественной работы демодулятора, схем
защиты приемника от помех;
4) демодуляция сигнала;
5) обработка принимаемых сигналов с целью ослабления негативного воздействия помех;
6) преобразование электрического сигнала к необходимому для потребителя информации виду.
Радиоприемники, входящие в состав УПОС, отличаются друг от друга различными признаками:
функциональным назначением, характером принимаемого сигнала (импульсный или непрерывный) и виду
модуляции, по диапазону частоты, по месту установки и т.п.
По месту установки приемники разделяют на бортовые, наземные, на стационарные и переносные.
Радиоприемники можно классифицировать по ряду признаков, из которых основными являются:
1) назначение приемника;
По функциональному назначению различают две группы радиоприемников – профессиональный и
бытовые. К профессиональным относят приемники: радиолокационные, радионавигационные, связные
(магистральные, радиорелейной связи и т.п.), радиоуправления, радиотелеметрические и т.п. Бытовые
(вещательные) принимают программы звукового и телевизионного вещания. Это самые массовые
радиотехнические устройства: их ежегодный выпуск в мире составляет десятки миллионов.
3

4.

2) диапазон принимаемых частот;
Диапазон частот радиосигналов весьма широк: от 3 кГц до 300 ГГц, что соответствует волнам от 100 км
до 1 мм. Приемник, может быть, предназначен для работы на одной или нескольких фиксированных частотах,
или в некотором диапазоне частот. От диапазона частот напрямую зависит выбор активных элементов
(транзисторов и микросхем) и резонансных систем (с сосредоточенными или распределенными
постоянными).
3) вид принимаемых сигналов;
По виду принимаемого сигнала различают приемники непрерывных и дискретных сигналов. Приемники
непрерывных сигналов могут быть с амплитудной (АМ сигнал), частотной, фазовой и однополосной (ЧМ,
ФМ и ОМ сигналы) модуляцией. Приемники дискретных сигналов подразделяют на приемники приёмники
импульсных сигналов (с импульсной, импульсно-кодовой модуляцией, дельта-модуляцией) и телеграфные
(или приемники манипулированных сигналов). Телеграфные приемники подразделяются на приемники
амплитудного, частотного и фазоразностного телеграфирования в зависимости от параметра манипуляции.
Приемники дискретных сигналов широко используются в система передачи данных и в цифровых системах
связи для передачи информации в цифровой форме. Кроме простых сигналов, имеющих базу порядка
единицы, применяют сложные сигналы, база которых значительно больше единицы по порядку величины.
4) тип структурной схемы;
По типу структурной схемы различают приемники прямого усиления, прямого преобразования и
супергетеродинные приемники. Наилучшие качественные показатели обеспечивает применение
супергетеродинной схемы. В профессиональных приемниках используют двойное и тройное преобразование
частоты.
5) форма выполнения основных операций над сигналом;
4

5.

Основные операции над сигналом могут выполняться в аналоговой, аналогово-дискретной, цифровой или
цифроаналоговой форме, а по способу реализации цифровой обработки – аппаратной и программной
реализацией ЦОС. Усилительно-преобразовательный тракт обычно является аналоговым, демодуляция и
последующая обработка сигналов в современных приемниках часто делается цифровой.
6) вид активных элементов, используемых в приемнике;
В качестве активных элементов широко применяются полевые и биполярные транзисторы и
интегральные микросхемы. Элементная база постоянно обновляется.
7) тип конструкции приемника;
Конструктивно приемники выполняются на основе печатного или объемного монтажа с использованием
интегральных микросхем, представляющих собой каскады, узлы приемников и даже целые приемники.
8) способ питания.
По способу питания выделяют сетевые и аккумуляторные приемники, с универсальным питанием и т.д.
7.2. Технические параметры радиоприемников.
Качественные показатели РПрУ определяются конструктивно-эксплуатационными, производственноэкономическими и электрическими характеристиками.
К конструктивно-эксплуатационным характеристикам относятся масса, габариты, экономичность
питания, надежность, ремонтопригодность, эргономические показатели и стабильность характеристик при
изменении условий эксплуатации. К производственно-экономическим характеристикам относят стоимость,
степень интеграции и унификации узлов, серийноспособность, вид технологического процесса при
изготовлении и сроки разработки. Эти характеристики различны для разных приемников и обычно
рассматриваются с учетом конкретного назначения.
5

6.

К конструктивно-эксплуатационным характеристикам относятся масса, габариты, экономичность
питания, надежность, ремонтопригодность, эргономические показатели и стабильность характеристик при
изменении условий эксплуатации. К производственно-экономическим характеристикам относят стоимость,
степень интеграции и унификации узлов, серийноспособность, вид технологического процесса при
изготовлении и сроки разработки. Эти характеристики различны для разных приемников и обычно
рассматриваются с учетом конкретного назначения.
Электрические характеристики являются общими для большинства радиоприемников. К основным
электрическим характеристикам относятся верность воспроизведения сообщения, диапазон рабочих частот,
чувствительность, избирательность, динамический диапазон, помехоустойчивость, эффективность
регулировок и электромагнитная совместимость. Рассмотрим их по подробнее.
1. Диапазон рабочих частот. Задается как полоса частот настройки приемника, в пределах которой все
основные характеристики обеспечиваются не хуже заданных. Приемник может иметь плавную или
дискретную настройку. Плавная настройка применяется в радиовещании, а дискретная, как правило, в
приемниках профессионального типа.
Диапазон рабочих частот определяется нижней и верхней f0mах граничными частотами. Ширина
диапазона оценивается коэффициентом перекрытия kд= f0mах/ f0min . Для получения большого значения kд при
плавной настройке диапазон часто разбивают на поддиапазоны с коэффициентом перекрытия kпдi= (fпдmax/
fпдmin)i. Значение kпд ограничивается в первую очередь конструктивными возможностями конденсаторов
переменной емкости, у которых максимальная Сmах и минимальная Сmin емкости находятся в соотношении
Сmах/Сmin≈25…50. При этом
k пд Сmax / Cmin 5...7
6

7.

При наличии паразитных емкостей в составе контурной емкости значение kпд уменьшается и обычно не
превышает значений 2…3. При этом kпд тем меньше, чем больше граничные частоты f0min… f0mах.
2. Чувствительность. Под чувствительностью понимается свойство радиоприемника принимать слабые
сигналы в отсутствие внешних помех. Количественно чувствительность характеризуется минимально
необходимой мощностью или ЭДС сигнала в антенне (или в эквиваленте антенны), при которых
обеспечивается нормальное функционирование подключенного к выходу устройства обработки (или
оконечного прибора) при заданных параметрах модуляции и заданном превышении сигнала над внутренним
шумом приемника.
В радиовещательных приемниках, работающих в диапазоне умеренно высоких частот, основным
требованием является высококачественное воспроизведение сигнала без применения специальных устройств
обработки после детектора. Поэтому усиление вещательных приемников выбирается не слишком большим, и
чувствительность приемников такого типа составляет Ecвхmin=50…200мкВ. При это превышение
минимального сигнала над уровнем помех на входе приемника составляет 20…30дБ. Основными видами
помех в данном диапазоне частот являются атмосферные и промышленные. Следует отметить, что в данном
случае чувствительность определяется усилением приемника: чем больше усиление, тем выше
чувствительность (меньше Ecвхmin).
В профессиональных приемниках благодаря применению специальной обработки сигнала допустимое
отношение сигнала к помехе на входе приемника может быть выбрано существенно меньше (3…6дБ и менее).
При этом чувствительность приемника, может быть, существенно увеличена по сравнению с вещательными
приемниками. У некоторых приемников она составляет единицы микровольт.
В диапазоне сверхвысоких частот основным видом помех является внутренний шум приемника. В этом
случае чувствительность приемника определяется в основном не усилением, а уровнем собственных шумов7

8.

приемника. Различают реальную и предельную чувствительности. Реальная чувствительность
характеризуется минимальным уровнем сигнала на входе при заданном превышении сигнала над шумом по
мощности h2 на выходе. Предельная (пороговая) чувствительность характеризуется уровнем сигнала на входе
при h2=1. Параметр h2= Рсвых/Ршвых называется коэффициентом различимости. Предельная чувствительность
может составлять 10–15Вт и менее.
3. Помехоустойчивость. Под помехоустойчивостью понимается свойство радиоприемника принимать
слабые сигналы в условиях действия различных помех. Количественно помехоустойчивость часто
характеризуется эффективной чувствительностью, т.е. минимально необходимый уровнем сигнала на входе,
при котором обеспечивается нормальное функционирование устройства, подключаемого на выходе, при
заданных параметрах модуляции сигнала, заданных параметрах помехи и заданном превышении сигнала над
помехой.
Помехи могут попадать в основной канал приема (внутриканальная помеха) или находится вне его
(внеканальная помеха). Внеканальные помехи ослабляются за счет частотной избирательности приемника.
Подавление внутриканальных помех, смешанных по спектру со спектральными составляющими сигнала –
более трудная задача, и для ее решения используются различия спектральных, статистических и других
характеристик сигнала и помех. Для этого применяются помехоустойчивые виды модуляции радиосигналов,
корректирующие коды и специальные способы обработки сигналов. Чаще всего такая обработка
осуществляется после детектора в устройстве обработки сигналов.
4. Частотная избирательность. Понимают свойство приемника ослаблять внеканальные помехи и
выделять слабые сигналы. Количественные характеристики частотной избирательности зависят от числа
внеканальных помех, их мощности и частоты, нелинейных свойств приемного тракта. Поэтому различают
одно- и многосигнальную избирательность. Односигнальная избирательность соответствует ситуации, когда8

9.

на вход приемника поступает один помеховый сигнал, а многосигнальная – когда на входе действует
одновременно с сигналом два и более помеховых сигнала.
Наибольшую трудность представляет ослабление помех в соседних по частоте каналах приема. Поэтому
в первую очередь следует учитывать избирательность по соседнему каналу.
Односигнальная частотная избирательность приемника по соседнему каналу определяется формой его
частотной характеристики при действии на входе одного помехового гармонического сигнала малого уровня,
не вызывающего нелинейных эффектов в тракте приема. Коэффициент усиления приемника по напряжению
является функцией частоты K(f) и при точной настройке на частоту входного сигнала f0=fc достигает
максимального значения К0. Помеха по соседнему каналу приема имеет частоту fcк. Величина σ= К0/ K(Δf)
(где Δf =| fcк – f0| – расстройка помехи) характеризует ее ослабление и является количественной
характеристикой избирательности приемника по соседнему каналу.
Зависимость σ(Δf) представляет собой характеристику избирательности приемника по соседнему каналу
(рис. 7.1). По оси абсцисс откладывается расстройка помехи Δf =fcк – f0, а по оси ординат – σ в относительных
единицах или децибелах – σдБ=20lg σ.
Рисунок 7.1.
Характерист
ика
частотной
избирательно
сти по
соседнему
каналу.
9

10.

Идеальной с точки зрения избирательности по соседнему каналу является прямоугольная форма
частотной характеристики, для которой σдБ=0 в пределах полосы пропускания приемника и σ →∞ за ее
пределами. У реальных приемников в полосе пропускания ослабление σ≠0 и часто непостоянно.
Обычно полосу пропускания П измеряют на уровне σдБ= 3дБ(К/К0=0,7). Полоса пропускания П=П0,7
соответствует участку частот, где коэффициент усиления К ≥0,7К0, а серединой его является частота
настройки приемника f0. Иногда полосу пропускания измеряют на уровне σдБ= 6дБ(П0,5). Степень близости
реальной характеристики избирательности к идеальной оценивают с помощью коэффициента
прямоугольности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) μγ=П0,7/Пγ, где Пγ> П0,7 – полоса пропускания
приемника на уровне γ, который заведомо меньше 0,7 (часто выбирают 0,1; 0,01 и 0,001). Очевидно,
избирательность тем выше, чем ближе μγ к единице.
Для супергетеродинного приемника, помимо частотной избирательности по соседнему каналу,
необходимо определять избирательность по побочным каналам приема (зеркальному каналу σзк и каналу
прямого прохождения σпк ). Эти параметры избирательности определяются формой частотной характеристики
преселектора (рис. 7.2.).
Рисунок 7.2 Ослабление влияния помехи по зеркальному каналу за счет избирательных свойств преселектора.
10

11.

5. Вероятность воспроизведения закона модуляции. Эта характеристика описывает свойство приемника
воспроизводить на выходе закон модуляции принятого радиосигнала с заданной точностью. Количественно
характеристику оценивают уровнем искажений закона модуляции (или модулирующей функции).
Для определения верности воспроизведения используют два метода: спектральный и временной. При
спектральном методе оцениваются линейные и нелинейные искажения путем анализа спектра модулирующей
функции на выходе приемника, а при временной – искажения форм стандартной модулирующей функции,
например единичной ступени (скачка напряжения).
Линейные искажения обусловлены инерциальностью элементов приемного тракта и не сопровождаются
проявлением в спектре модулирующей функции новых составляющих; они не зависят от уровня входного
сигнала и глубины модуляции. Эти искажения разделяются на амплитудные и фазовые. Амплитудные
искажения проявляются в изменении соотношения амплитуд спектральных составляющих, фазовые – в
неравенстве времени запаздывания составляющих при прохождении через тракт приема.
Амплитудные искажения оценивают коэффициентом
неравномерности характеристики верности воспроизведения
по напряжению или звуковому давления (в радиовещании).
Характеристика верности по напряжению представляет собой
зависимость напряжения на выходе приемника Uсвых от
частоты модуляции FМ входного сигнала при неизменных
частоте приемника, амплитуде и глубине модуляции входного
сигнала. Обычно Uсвых нормируют по отношению к
выходному напряжению UсвыхМ при FМ равном 400 или 1000
Рисунок 7.3. Характеристика верности
Гц, т.е. Хн=20lgUсвых/ UсвыхМ.
воспроизведения модулирующей функции
11

12.

Типичная характеристика верности показана на рисунке 7.3. (FМн, FМв – нижняя и верхняя частоты
модуляции). Идеальная характеристика верности имеет вид прямой на уровне 0 дБ. Реальная характеристика
имеет спады на нижних и верхних частотах модуляции и подъем на средних частотах. Неравномерность
характеристики вероятности по напряжению оценивается величиной ΔХн=Хнmax– Хнmin в децибелах. Часто
считается допустимым значение ΔХн≤ 6дБ.
Нелинейные искажения сопровождаются появлением в спектре модулирующей функции новых
составляющих; они зависят от уровня входного сигнала и глубины его модуляции. Искажения оценивают
коэффициентом гармоник закона модуляции:
2
2
U 2 U 3 ...
kг
U1
или коэффициентом нелинейных искажений
U 22 U 32 ...
kни
,
2
2
2
U1 U 2 U 3 ..
где Ui – эффективное значение напряжения на i-й гармоники закона модуляции.
Очевидно,
kг
kни
,
1 k
и при kг≤0,1 можно считать kни≈ kг.
В радиовещании и радиосвязи при передаче речи существенны лишь амплитудные и нелинейные
искажения; небольшие фазовые искажения при этом не ощущаются. В телевидении, радиолокации и
радионавигации важны как амплитудные, так и фазовые искажения. В этих случаях часто используют
временной метод оценки искажений по временной диаграмме модулирующей функции стандартной формы
(скачка напряжения).
2
г
12

13.

6. Динамический диапазон. Под этой характеристикой понимают диапазон амплитуд входного сигнала,
при котором обеспечивается нормальное функционирование приемника. Нижняя граница диапазона
определяется чувствительностью приемника, верхняя – допустимыми искажениями сигнала в тракте приема.
В реальных условиях изменение амплитуды сигналов и помех на сходе может достигать 80 дБ и более.
При большой амплитуде возникает перегрузка приемника, особенно последних каскадов УПЧ, которая
сопровождается нелинейными искажениями сигнала. Количественно динамический диапазон приемника
определяется отношением максимально допустимого напряжения входного сигнала Uсвхmax к
чувствительности приемника Eсвхmin , или в децибелах: D=20lg(Uсвхmax/Eсвхmin).
7. Электромагнитная совместимость (ЭМС). С помощью данной характеристики определяют
возможность использования приемника совместно с другими радиоустройствами, которые могут создавать
помехи для радиоприемника или могут быть подвержены действию помех от этого приемника.
Требования к рациональному использованию радиочастотных диапазонов и нормированию
радиоизлучений введены в ГОСТ страны. Имеются рекомендации международных организаций по вопросам
распределения радиочастот между отдельными службами (радиолокация, радионавигация, радиосвязь,
радиовещание, телевидение и т.д.) Для выполнения этих требований и рекомендаций в приемниках
принимают меры по уменьшению их собственных излучений и предусматривают защиту приемников от
влияния помех других устройств по соседним и побочным каналам приема, а также от помех
индустриального происхождения. Количественно ЭМС задается допустимыми уровнями напряжений
гетеродина, просачивающихся в антенну, на выход приемника, в цепи питания, управления и коммутации.
8.Устойчивость характеристик приема. В процессе эксплуатации из-зи колебаний температуры
окружающей среды, питающих напряжений, старения элементов и других дестабилизирующих факторов
характеристики приемника неизбежно меняются.
13

14.

На практике в первую очередь приходится заботиться о стабильности частоты настройки приемника и
стабильности коэффициента его усиления. Для приемников, применяемых в радиоустройствах сравнение фаз
сигналов, важно обеспечивать стабильност ьфазовых характеристик приемных трактов.
Главной причиной частотной нестабильности приемника является изменение частоты сигнала
гетеродина. Высокие требования в стабильности частоты настройки привели к созданию высокостабильных
синтезатовор частот о относительной нестабильнсотью δfг/fг=10–7.
Важным параметром приемника является также время настройки на заданную частоту, под которым
понимается время от момента поступления управляющег осигнала на настройку до полной готовности
приемника к работе на заданной частоте.
7.3. Обобщенные структурные схемы бортовых радиоприемников.
Структура радиоприемника и его основные функции определяются условиями приема радиосигналов. От
антенны на вход приемника поступает обычно смесь сигнала и помех. Приемник должен обладать
способностью отделять полезные сигналы от помех по признакам, присущим полезному сигналу. Это
свойство называется избирательностью (или селективностью).
Различают следующие виды избирательность:
частотная; Реализуется с помощью частотно-избирательных цепей (например, фильтров). Принято
государственное и международное регулирование распределения частот между службами радиосвязи и
различными радиосистемами. Частотной избирательностью должны обладать все приемники;
пространственная; реализуется с помощью направленных свойств антенны;
поляризационная; реализуется с помощью антенн, принимающих радиоволны с определённой
поляризацией (согласных с волной поляризации);
14

15.

амплитудная; реализуется при приёме импульсных сигналов с помощью пороговых устройств –
селекторов по амплитуде;
временная; реализуется отпиранием приемника на время поступления ожидаемого полезного сигнала с
помощью устройств стробирования;
по форме сигнала; например, по структуре кода полезного сигнала.
Обобщенная структурная схема, отражающая основные функции РПрУ, представлена на рисунке 7.4 (ВУ
– внешнее управление).
Она состоит из пяти функциональных блоков-трактов.
В
усилительно-преобразовательном
тракте (УПТ) происходит выделение
полезных сигналов из всей совокупности
поступающих от антенны (А) сигналов и
помех, а также усиление полезного сигнала
до уровня, необходимого для нормальной
работы
последующих
каскадов.
В
информационном
тракте
(ИТ)
осуществляется основная обработка сигнала
с целью выделения содержащейся в нем
Рисунок 7.4 Обобщенная структурная схема РПрУ
информации (демодуляции) и ослабления
мешающего воздействия помех.
Важнейшей задачей является выделение информации с максимальной достоверностью (оптимальный
прием).
15

16.

Гетеродинный тракт (ГТ) преобразует частоту собственного или внешнего опорного генератора (ОГ) и
формирует сетки частот, необходимые для работы преобразователей частоты в УПТ, следящих систем и
устройств обработки сигналов в ИТ. Зачастую это сложное самостоятельное устройство – синтезатор частот
(СЧ). Тракт управления, адаптации и контроля (ТАУК) осуществляет ручное, дистанционное и
автоматизированное управление режимом работы РПрУ и отражает качество его работы на соответствующих
индикаторах.
В оконечном устройстве (ОУ) энергия выделяемого сигнала используется для получения требуемого
выходного эффекта – акустического (телефон, громкоговоритель), оптического (дисплей), механического
(печатающее устройство). Вторичный источник питания (ВИП) преобразует энергию первичного источника в
форму, удобную для использования непосредственно в РПрУ. В ВИП осуществляется выпрямление,
фильтрация и стабилизация напряжения.
Наиболее важными характеристиками, определяющими эффективность использования РПрУ, являются:
диапазон рабочих частот и поддиапазоны;
амплитудно-частотная характеристика (АЧХ);
неравномерность коэффициента передачи в рабочем диапазоне;
коэффициент шума и предельная чувствительность;
ширина полосы пропускания;
помехоустойчивость;
время перестройки (характеризует оперативность перестройки в рабочем диапазоне);
разрешающая способность по частоте;
способ поиска сигнала по несущей частоте;
точность определения параметров принимаемых сигналов;
16

17.

динамический диапазон;
избирательность по побочным и соседним каналам приема;
порог появления эффекта блокирования;
величина перекрестных искажений;
уровень фазовых шумов, стабильность и скорость перестройки синтезатора частот (СЧ);
характеристики питания, ручных и автоматических регулировок;
масса и габаритные размеры;
сложность в производстве и эксплуатации, стоимость .
Важнейшей технической характеристикой приемника (ПРМ) является полный диапазон частот, в котором
с его помощью можно осуществить прием сигналов.
Существует четыре основные структурные схемы радиоприемника: приемник прямого усиления,
регенеративный приемник, сверхрегенеративный и супергетеродинный приемник.
В настоящее время наиболее известными видами РПрУ являются приемники прямого усиления
(детекторный приемник, рефлексный приемник, сверхрегенеративный приемник) и супергетеродинные
приемники (с одним или двойным преобразованием частоты), структурные схемы которых различаются
построением тракта радиочастоты. Выделяют также приемники: беспоисковый многоканальный; поисковый
по частоте (сканирующий); смешанный (комбинированный); матричный, цифровой, приемник для
мгновенного измерения частоты.
Структурная схема ПРМ прямого усиления показана на рисунке 7.5 (ВЦ – входная цепь, УВЧ – усилитель
высокой частоты, Д – детектор, УНЧ – усилитель низкой частоты, ОУ – оконечное устройство
(преобразователь сигнала в информационное сообщение).
17

18.

Рисунок 7.5 Структурная схема ПРМ прямого усиления
ВЦ предназначена для предварительной селекции (разделения) принимаемых радиосигналов. УВЧ
предназначен для селекции и основного усиления радиосигнала.
Блок УВЧ:
а) усиливает полезный сигнал до рабочего напряжения демодулятора;
б) выделяет сигнал из смеси с помехами и другими мешающими колебаниями.
УВЧ выполняет додетекторную обработку сигнала. основные свойства:
1) это квазилинейное устройство: поскольку уровень входных воздействий (сигнала и помех) обычно мал, то
они проходят через УВЧ не взаимодействуя друг с другом;
2) его структура слабо зависит от вида принимаемого сигнала, в частности, от вида модуляции; важна только
ширина спектра сигнала, так как она определяет требуемую полосу пропускания;
3) Обладает очень большим усилением – порядка 80–120 дБ, то есть коэффициент усиления по напряжению
составляет 104 – 106 раз (типичные значения входного напряжения Uвх =1 – 10 мкВ, а выходного – U вых=
0,1 –1В).
Характерный признак УВЧ прямого усиления заключается в том, что усиление и выделение сигнала ( а
это его основная функция) осуществляется непосредственно на частоте принимаемого сигнала. Д
предназначен для выделения информационной составляющей из радиосигнала. Демодулятор выделяет
полезную информацию, заключенную в высокочастотном сигнале. В случае аналогового демодулятора эта
информация представлена в виде низкочастотного колебания.
18

19.

В отличие от УВЧ структура демодулятора определяется видом модуляции принимаемого сигнала.
Различают амплитудные, частотные, фазовые и различные импульсные демодуляторы. Демодулятор – это
нелинейное устройство.
УНЧ предназначен для усиления информационного сигнала. Блок УНЧ выполняет последетекторную
обработку сигнала. Основное его назначение состоит в следующем:
1) Окончательное выделение полезного сообщения из шумов и помех;
2) Усиление напряжения полезного сообщения до уровня, необходимого для нормальной работы оконечного
устройства.
Недостатки приемников прямого усиления:
1) Если приемник работает в диапазоне частот, то сильно усложняется настройка приемника, особенно если
он содержит большое число каскадов. В этом случае необходимо согласованно (одинаковым образом)
перестраивать большое число контуров, что технически трудно.
2) При перестройке приемника по диапазону его показатели могут значительно изменяться.
3) Если приемник предназначен для работы на фиксированной частоте, и частота эта довольно высокая
(диапазон метровых и более коротких волн), задача получения большого значения коэффициента усиления
и избирательности становится весьма и весьма трудной, поскольку с увеличением частоты крутизна
транзистора падает, а выходная проводимость растет.
4) Склонность к самовозбуждению (при больших коэффициентах усиления, повышенные требования к
экранированию конструкции приемника).
Приемники прямого усиления применяются сравнительно редко, широкое применение они нашли в
качества широкополосных измерительных приемников, предназначенных для контроля электромагнитного
излучения.
19

20.

Регенеративный радиоприёмник (регенератор) – радиоприемник с положительной обратной связью в
одном из каскадов усиления радиочастоты. Отличается высокой чувствительностью (ограничена шумами) и
избирательностью (ограничена устойчивостью параметров), пониженной устойчивостью работы.
Сигнал с антенны (рис. 7.6) или предыдущего каскада УВЧ
(ВЧ вход на схеме) подаётся на резонансный контур,
включённый в цепь затвора полевого транзистора. Изменение
ВЧ напряжения сигнала на затворе создаёт пропорциональное
изменение тока стока. Ток стока подаётся на катушку обратной
связи, откуда сигнал возвращается обратно в колебательный
контур.
К достоинствам регенеративного приемника следует
отнести
высокую
чувствительность
и
хорошую
избирательность, простоту и дешевизну, а также низкое
Рисунок 7.6. Принципиальная схема
потребление энергии.
регенеративного ПРМ.
Недостатками регенеративного приемника можно считать излучение помех при работе в режиме
генерации (и, как следствие, отсутствие скрытности) и тот факт, что высокая чувствительность и
избирательность достигаются ценой стабильности работы (склонность к самовозбуждению).
В супергетеродинном приемнике осуществляется преобразование частоты радиосигнала – линейный
перенос спектра принятого сигнала в область, удобную для обработки. Приемники такого типа получили
наибольшее распространение. Структурная схема супергетеродинного приемника (ПРМ) представлена на
рисунке 7.7 (ВЦ – входная цепь; УВЧ – усилитель высокой частоты; Г(СЧ) – гетеродин; СМ – смеситель;
ФСИ – фильтр сосредоточенной избирательности; ОУ – оконечное устройство).
20

21.

Рисунок 7.7 Структурная
схема супергетеродинного
радиоприемника
21

22.

В супергетеродинной структуре тракта приема происходит последовательный перенос сигнала на одну
или несколько промежуточных частот. Достоинства супергетеродинных структур:
– использование пассивной фильтрации позволяют реализовать устройства с большим динамическим
диапазоном;
– номиналы ПЧ и РЧ частот значительно отличаются, фильтрация и усиление производится в нескольких
каскадах последовательно, это позволяет реализовать в тракте приема устойчивые высокие коэффициенты
усиления, минимизировать паразитные обратные связи, уменьшить утечки сигналов гетеродинов.
Недостатки супергетеродинных структур:
– необходимость использования внешних элементов фильтрации препятствует комплексной интеграции
всего РЧ блока и выполнению его в виде одной ИМС;
– наличие на выходе смесителей нежелательных комбинационных составляющих, появление паразитных
каналов приема;
– устройство получается относительно дорогим.
Качественные показатели супергетеродинного ПРМ определяются следующими электрическими
характеристиками:
1. Чувствительность (см. п. 7.2)
Под требуемым качеством можно понимать:
1) получение заданного уровня сигнала на выходе ПРМ (так определяется максимальная
чувствительность);
2) получение определенного отношения мощности сигнала к мощности шумов на выходе ПРМ (так
определяется реальная чувствительность);
22

23.

3) выполнение одного из вероятностных критериев качества приема (вероятность правильного приема,
вероятность ошибки).
2. Избирательность (селективность) – способность ПРМ выделять полезный сигнал, ослабляя действие
помех. Основное значение имеет частотная избирательность. Различают односигнальную и многосигнальную
(эффективную) частотную избирательность.
Методом односигнальной избирательности оценивается также избирательность по побочным каналам
приема супергетеродинного приемника:
а) по зеркальному каналу (или каналу симметричной станции). Этот канал является основным
паразитным каналом приема. Его происхождение иллюстрируется рисунком 7.9.
23

24.

В случае верхней настройки гетеродина (fг>fс) частота зеркального канала равна fзк=fг+fп=fс+2fн.
Ослабление действия помех, проникающих в тракт приемника по зеркальному каналу, осуществляется
избирательными цепями, входящими в состав ВЦ и УРЧ (рис.7.10)
Рисунок 7.10 Ослабление помех по паразитным каналам.
Увеличение избирательности по зеркальному каналу можно осуществить следующими путями:
– сужением полосы пропускания ВЦ;
– повышением избирательности ВЦ и УРЧ за счет более крутых скатов АЧХ контуров;
– если промежуточная частота не определена стандартов, то для ослабления помехи по зеркальному
каналу можно увеличивать fп.
Важно подчеркнуть, что избирательность по зеркальному каналу обеспечивается резонансными цепями
до входа смесителя.
б) по каналу прямого прохождения; Частота этого канала равна промежуточной частоте fп. Если в эфире
действует мощная станция на частоте fп, то ее сигнал может пройти с заметным уровнем на вход
24

25.

преобразователя частоты, который в данном случае работает ка усилитель. Далее этот сигнал, ничем не
отличаясь от полезного сигнала (его частота равна промежуточной частоте), усиливается в УПЧ и проходит
на выход приемника.
Пути проникновения помехи с частотой fп на вход ПФ могут быть различные.
Во-первых, такое прохождение может быть обусловлено недостаточной избирательностью ВЦ и УВЧ.
Во-вторых, электромагнитное колебание с частотой fп может непосредственно действовать на
конструктивные элементы ПФ и УПЧ, которые в данном случае играют роль «микроантенн»
Существуют следующие способы ослабления действия помехи по каналу прямого прохождения:
– увеличение избирательности ВЦ и УВЧ (каскадов до ПФ);
– постановка специальных режекторных фильтров на входные цепи РПУ;
– тщательная экранировка ПФ и УПЧ.
Важно отметить, что основным средством борьбы с помехой по каналу прямого прохождения, так же,
как и с помехой по зеркальному каналу, является повышение избирательности каскадов до ПФ.
в) по каналам преобразования частоты, образованным гармониками частоты гетеродина.
В условиях действия сильных помех, приводящих к эффектам блокирования сигнала, перекрестной
модуляции и интермодуляции, используется понятие эффективной или многосигнальной избирательности.
Блокированием называют уменьшение коэффициента усиления усилительно-преобразовательного тракта
под действием сильных мешающих сигналов с частотами, отличающимися от частот основного и побочного
каналов приема. Перекрестная модуляция проявляется в переносе модуляции помехи на несущую полезного
сигнала за счет нелинейности усилительно-преобразовательного тракта. Интермодуляция заключается в том,
что при воздействии на нелинейный элемент усилительно-преобразовательного тракта двух или более помех
различных частот на его выходе в спектре интермодуляционных колебаний вида mf ±nf ±pf ±…
25

26.

возникает составляющая, совпадающая либо с частотой настройки приемника, либо с частотой какого-то
побочного канала приема.
Повысить избирательность по комбинационным каналам приема можно двумя способами:
– улучшить избирательность ВЦ и УВЧ;
– соответствующим выбором режима работы смесителя уменьшить уровень гармоник входного
напряжения смесителя и напряжения гетеродина.
Количественно многосигнальная избирательность может быть оценена полосой забития сигнала,
коэффициентом перекрестной модуляции или допустимым уровнем взаимомодулирующих сигналов.
3. Помехоустойчивость – способность ПРМ обеспечивать нормальное функционирование в условиях
воздействия определенной совокупности помех. Существуют различные критерии количественной оценки
помехоустойчивости: вероятностный, энергетический, артикуляционный.
4. Электромагнитная совместимость – возможность приемника работать совместно с другими
радиоэлектронными устройствами и системами.
5. Верность воспроизведения сообщений количественно оценивается искажениями выходного сигнала
приемника по отношению к модулирующей функции. К статическим искажениям относятся линейные
(амплитудно-частотные и фазовые) и нелинейные (коэффициенты гармоник основной частоты модуляции). К
динамическим искажениям относятся переходные искажения, характеризующие временную зависимость
выходного напряжения приемника при подаче на его вход радиоимпульса (время запаздывания импульса,
время нарастания переднего фронта, выброс переходной характеристики, спад плоской вершины импульса).
6. Динамический диапазон характеризует допустимый минимальный и допустимый максимальный
уровни входных сигналов. Динамический диапазон по основному каналу приема – это пределы изменения
уровня входных сигналов, при которых потеря информации не превышает заданного значения.
26

27.

Нижняя граница динамического диапазона по основному каналу приема ограничена шумами приемника,
верхняя – нелинейными искажениями. Динамический диапазон по соседним каналам приема ограничен
искажениями информации, возникающими за счет действия мощных помех, действующих в соседних
каналах. Среди других электрических характеристик отметим характеристики частотной настройки (диапазон
или набор рабочих частот), параметры регулировок, выходную мощность, параметры системы питания.
Кроме электрических характеристик, большое значение имеют конструктивно-эксплуатационные и
производственно-экономические характеристики.
Полоса пропускания (ПП) линейного тракта супергетеродинного приемника с однократным
преобразованием частоты
П=Пс+Пнс,
(7.1)
где Пс – ширина спектра сигнала; Пнс – составляющая ПП, обусловленная нестабильностью частот сигнала и
гетеродина.
Для АМ сигнала ПсАМ = 2Fmax ( Fmax – максимальная частота модуляции). Для ЧМ сигнала
П сЧМ 2 Fmax 1 m m
при m 1,
П сЧМ 2 Fmax 1 m при m 1,
(7.2)
П сЧМ 2 Fmax при m 1,
где m=Δfm/Fmax – индекс частотной модуляции; Δfm – максимальная девиация частоты. Составляющая полосы
пропускания
П нс 2 f c2 f г2 ,
(7.3)
где Δfc=fc max·δfc – абсолютная нестабильность частоты сигнала; δfc – относительная нестабильность частоты,
определяемая передатчиком (для кварцевых возбудителей передатчиков δfc= 10–5…10–7);
27

28.

Δfг=fг max·δfг – абсолютная нестабильность частоты гетеродина;·δfг – относительная нестабильность частоты
гетеродина (для кварцевых гетеродинов или синтезаторов частоты δfг = 10–5…10–7, а для автогенераторов без
кварцевой стабилизации δfг = 10–3…10–4).
При использовании системы частотной автоподстройки гетеродина полоса пропускания
П ЧАП Пс
Пнс
,
K ЧАП
(7.4)
где KЧАП≈10...25 – коэффициент частотной автоподстройки.
Совокупность ВЦ и УВЧ называют преселектором, который предназначен для предварительной селекции
и предварительного усиления радиосигнала. Совокупность СМ и Г(СЧ) называют преобразователем частоты.
Г(СЧ) предназначен для генерирования гармонического сигнала (или сетки частот) определенной частоты.
СМ предназначен для переноса частоты принимаемого радиосигнала в область более низких частот. УПЧ
предназначен для усиления и избирательности радиосигнала на промежуточной частоте.
На рисунке 7.11 показана классическая архитектура супергетеродинного приемника с двойным
преобразованием частоты.
Рисунок 7.11 Архитектура приема с двойным преобразованием частоты.
28

29.

Приемник с двойным преобразованием частоты содержит два преобразователя и два УПЧ. Первую
промежуточную частоту выбирают значительно выше второй – fПР 1>> fПР 2. При этом частота первого
зеркального канала имеет высокое значение и эффективно подавляется в преселекторе. Напряжение с
частотой fЗК 2 второго зеркального канала опасно лишь в том случае, если оно попадает на вход второго
преобразователя, когда возможны два пути прохождения напряжения с частотой fЗК 2.
Во-первых, второй зеркальный канал может непосредственно проходить через ВЦ, УВЧ, первый
преобразователь и первый УПЧ. Очевидно, что на этом пути напряжение с частотой fЗК 2 будет эффективно
подавлено.
Второй путь состоит в воздействии на вход приемника помехи с частотой fП= fС+2fПР, которая во втором
преобразователе преобразуется в колебания второго зеркального канала с частотой fЗК 2 . В этом случае только
первый УПЧ может обеспечить избирательность по второму зеркальному каналу. Итак, в приемнике с
двойным преобразованием частоты избирательность по первому зеркальному каналу обеспечивается
преселектором, по второму зеркальному каналу – первым УПЧ.
Полосовой фильтр (ПФ1), предшествующий малошумящему усилителю (МШУ) уменьшает внеполосные
сигналы, а также уровень помех по зеркальному каналу совместно с фильтром ПФ2 Затем весь спектр
преобразуется вниз по частоте на фиксированную промежуточную частоту с использованием
перестраиваемого гетеродина (РЧ ГУН). Зеркальный сигнал и другие нежелательные продукты
преобразования уменьшаются до приемлемого уровня с помощью внешнего фильтра (ФПЧ1) перед еще
одним преобразованием вниз по частоте.
Выбор рабочего канала обычно осуществляется фильтром (ПЧ2) после окончательного преобразования
вниз. Второе преобразование вниз по частоте в современных трактах приема обычно происходит в
квадратурных схемах, чтобы облегчить цифровую обработку синфазного и квадратурного сигналов I и Q. 29

30.

В ПРМ с двойным преобразованием частоты существенно снижаются требования к элементам
фильтрации. Эффекты смещения постоянной составляющей и утечки не влияют на характеристики ПРМ изза использования нескольких шагов преобразования.
В ряде случаев первую промежуточную частоту выбирают выше максимальной частоты диапазона.
Супергетеродинный радиоприемник с преобразованием частоты, осуществляющий перенос спектра
радиосигнала “вверх”, называется инфрадинным приемником.
При высоких значениях частоты гетеродина на качество радиоприема может оказывать влияние его
нестабильность. Здесь особенно важно значение первого гетеродина. Уменьшить влияние нестабильности
частоты первого гетеродина можно путем выполнения гетеродина в виде синтезатора частоты с заданным
шагом перестройки, представляющего устройство для формирования гармонических колебаний с заданными
частотами из колебаний одного или нескольких опорных генераторов.
Достижение высоких значений параметров и характеристик ПРМ приводит к увеличению стоимости
устройства и его размеров.
Выбор рабочего канала происходит в первом каскаде ПЧ, перестраиваемый гетеродин требует
качественного выполнения и использования внешнего колебательного контура для достижения хорошей
характеристики по шумам. Указанные факторы затрудняют полную интеграцию приемопередатчика в
единственной микросхеме.
Использование цифровой техники в ПРМ основано на возможности выполнения сколь угодно сложных,
функциональных операций над дискретизированными по уровню и времени цифровыми эквивалентами
принимаемых сигналов. Принципиальные ограничения по характеристикам цифровых устройств обработки
связаны с быстродействием выполнения основных операций, разрядностью представления данных и
30
необходимым объемом памяти для хранения данных.

31.

Преимущества цифровых методов обработки общеизвестны: высокая точность и стабильность
характеристик аппаратуры, возможность запоминания, хранения и воспроизведения сигнала.
Недостатки цифровых методов (зависимость ширины частотного диапазона от быстродействия цифровых
схем, дополнительные погрешности, обусловленные шумами вычислений, аналого-цифровыми и
цифроаналоговыми преобразованиями) убедительно компенсируются преимуществами цифровых устройств.
Совершенствование методов и алгоритмов обработки сигнала, использование современной элементной базы
позволяет решать многие задачи при помощи цифровых приемников.
Цифровое радиоприемное устройство (ЦРПрУ) – это приемное устройство, в котором осуществляется
обработка сигнала в аналоговой и цифровой формах. В ЦРПрУ, предназначенном для приема аналоговых
сигналов, осуществляется полная или частичная цифровая обработка сигналов (ЦОС).
Подсистема ЦОС выполняет функции первичной обработки: преобразует входные аналоговые сигналы в
цифровую форму, выделяет полезные сигналы на фоне помех, выполняет демодуляцию и декодирование
сигналов, оценивает параметры сигналов, выполняет спектральные преобразования, а также решает обратные
по отношению к ним задачи: кодирование, модуляцию. Сжатие сигналов и т.п. К первичной обработке часто
относят также специфическую задачу организации информационного обмена внутри системы ЦОИ
(рис.7.12), так и с внешними объектами. Эта задача решается с помощью аппаратных и программных средств,
называемых интерфейсом.
Подсистема вторичной обработки информации выделяет информацию из последовательности (или
совокупности) сигналов, поступающих с выхода подсистемы первичной обработки. Например, формирует
траекторию полета самолета на основе совокупности единичных измерений его координат, распознает
объекты наблюдения на основе анализа спектров отраженных сигналов, полученных в подсистеме ЦОС, и т.п.
В ряде радиосистем применяется также третичная обработка информации, комплексирование различных
датчиков информации и другие более сложные способы обработки информации.
31

32.

32

33.

По степени использования ЦОС ЦРПрУ можно разделить
на две группы:
ПРМ, в которых отсутствует преобразование принимаемого
сигнала в цифровую форму, а на цифровой элементной базе
реализованы отдельные узлы (устройства управления,
контроля, отображения информации, системы вхождения в
связь, цифровые СЧ);
ПРМ, в которых сигнал преобразуется в цифровой вид и на
цифровой элементной базе выполнена часть главного
тракта приема, включая цифровой фильтр селекции
сигналов, цифровые демодуляторы, цифровые устройства
распознавания и измерения параметров сигналов, а также
вспомогательные узлы.
Структурная схема ПРМ цифровой системы передачи
информации показана на рисунке 7.13 (Д – детектор; MUX –
мультиплексор).
Рисунок 7.12 Типовая структура систем цифровой обработки информации (ЦОИ).
33

34.

Методы и приемники для мгновенного измерения частоты (Instantaneous Frequency Measurement – IFM)
позволяют измерить несущую частоту высокочастотного радиосигнала за очень короткое время – несколько
десятков наносекунд. В течение долгого времени для мгновенного измерения частоты использовались
приемники с традиционной структурой (рис. 7.14), принципиальные операции выполнялись в аналоговой
форме.
Рисунок 7.14 Традиционная структурная схема
приемника с МИЧ
Рисунок 7.15 Структурная схема МИЧ с цифровыми
задержками
Этой классической схеме МИЧ свойственны существенные недостатки. Для повышения точности
измерения частоты необходимо увеличивать длину линии задержки (ЛЗ). Для расширения рабочего
частотного диапазона нужно сокращать время задержки, что приводит к снижению точности и разрешающей
способности приемника.
В последние годы развиваются различные методы построения цифровых приемников МИЧ. Один из
основных методов – применение цифровых ЛЗ, что является логичным развитием прежнего подхода с
аналоговыми физическими ЛЗ. Структурная схема реализации метода приведена на рисунке 7.15
34

35.

ВЧ радиосигнал разделяется на квадратурные составляющие, преобразуется в цифровую форму и
поступает на ПЛИС, с помощью которой реализован алгоритм определения частоты на основе формирования
задержек. Для реализации цифрового приема сигналов в заданной полосе частот сигналов в аппаратуре
обязательным является наличие двух основных устройств: аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и
процессора, выполняющего дискретное преобразование Фурье (ДПФ) (рис. 7.16). АЦП осуществляет
квантование по уровню и дискретизацию по времени сигнала S(t), поступающего от входной ВЧ части ПРМ
или после гетеродинирования на ПЧ.
Рисунок 7.16 Цифровой приемник-анализатор спектра
Если сигнал S(t) изменяется в диапазоне Smin...Smax, то каждое числовое значение, характеризующее
величину аналогового сигнала в момент ti , на выходе представляется n-разрядным двоичным кодом с
погрешностью квантования, относительная величина которой не превосходит 2–n . Отдельные элементы
данных, характеризующих величину преобразуемого сигнала в моменты времени ti, формируются с
некоторым интервалом Δt, называемым интервалом дискретизации, который определяется, исходя из
величины верхней границы полосы рабочих частот, Δt≤0,5fmax.
Современные технологии АЦП позволяют получать разрядность представления данных до 24 бит при
частотах дискретизации входного сигнала от единиц герц до 100 МГц и более. Разрядность представления
данных в АЦП определяет и динамический диапазон обрабатываемых сигналов, предельное отношение
Smax/Smin=2n.
35

36.

Литература для самостоятельного изучения:
1. Кудинов А.Т. Прием и обработка сигналов. Учебное пособие – М. : ИД Академии Жуковского, 2020. 72 с.
2. Леньшин, А.В., Тихомиров Н.М., ПоповС.А. Бортовые радиоэлектронные системы. Основы построения.
Воронеж : «Научная книга», 2021г.,486 с.
3. Макаренко А.А., Плотников М.Ю. . Устройства приема и преобразования сигналов. Учебное пособие. –
СПб.: Университет ИТМО, 2019. – 112 с.
4. Шостак А.С. Прием и обработка сигналов. Часть 1. – Томск: ТУСУР, 2012. – 161с.
5. Криницын В.В., Логвин А.И. Приём и обработка сигналов в авиационных радиоустройствах. Учебник. –
М: Транспорт, 1992г., 324с.
36