Глава 1 (лекции по УППС (УПОС))
Описание файла
Файл "Глава 1" внутри архива находится в следующих папках: лекции по УППС (УПОС), Глава1. Документ из архива "лекции по УППС (УПОС)", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "радиоприёмные устройства" из 7 семестр, которые можно найти в файловом архиве РТУ МИРЭА. Не смотря на прямую связь этого архива с РТУ МИРЭА, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "радиоприёмные устройства" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Глава 1"
Текст из документа "Глава 1"
Глава 1. Характеристики радиоприемных устройств
1.1 ФУНКЦИИ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ
В соответствии с занимаемым в радиоканале местом РПрУ обеспечивают четыре основные функции: выделение (селекция) сигнала; усиление сигнала; ослабление помех, присутствующих на входе; детектирование радиочастотных сигналов – восстановление первичного сигнала, соответствующего передаваемому сообщению.
Основные функции современного РПрУ реализуются путем выполнения других сложных функций, например: частотное преобразование принимаемых радиосигналов с целью перенесения в область частот, где обеспечиваются наилучшие условия их обработки; изменение параметров РПрУ для достижения заданного или наилучшего качества его работы (адаптация) при изменениях электромагнитной обстановки в месте приема, определяемой совокупностью всех помех.
Рис. 1.1. Структурная схема РПрУ |
Основные функции РПрУ отражены на обобщенной структурной схеме – рис.1.1. В схеме выделено пять функциональных блоков — трактов. В усилительно-преобразовательном тракте (УТ) осуществляется выделение полезных сигналов из всей совокупности поступающих от антенны А помех, не совпадающих по частоте с сигналом, и усиление энергии сигнала до уровня, необходимого для нормальной работы последующих каскадов. В УТ сигнал преобразуется нелинейными элементами и с ним могут производиться некоторые нелинейные процедуры (смещение спектра, ограничение амплитуды и др.), однако принимаемая информация в этом тракте существенно не искажается и по отношению к первичному сигналу его можно считать линейным.
В информационном тракте (ИТ) производятся основная обработка сигнала с целью выделения содержащейся в нем информации (демодуляция) и ослабление мешающего воздействия помех. Важнейшая задача информационного тракта – выделение информации с максимальной достоверностью (оптимальный прием). В составе ИТ предусматриваются оптимальные фильтры, цепи последетекторной обработки, следящие системы частотной (ЧАПЧ) и фазовой (ФАПЧ) автоматической подстройки частоты, используемые для демодуляции сигнала, а также для его поиска и сопровождения по частоте, фазе и задержке.
Гетеродинный тракт (ГТ) преобразует частоту собственного или внешнего опорного генератора и формирует сетки частот, необходимые для работы преобразователей частоты в УТ, следящих систем и устройств обработки сигнала в ИТ. Зачастую это сложное самостоятельное устройство – синтезатор частот (СЧ), обеспечивающий работу и других подсистем радиосистемы, прежде всего РПрУ.
Тракт адаптации, управления и контроля (ТАУК) предназначен для управления режимом работы РПрУ (ручного, дистанционного и автоматизированного) и отражения качества его работы на соответствующих индикаторах. ТАУК управляет включением и выключением, поиском и выбором сигнала, адаптацией к изменяющимся условиям работы.
В оконечном устройстве (ОУ) энергия принятого и усиленного сигнала используется для получения требуемого выходного эффекта – акустического (телефон, громкоговоритель), оптического (кинескоп, дисплей), механического (печатающее устройство).
Вторичный источник питания (ВИП) преобразует энергию первичного источника, в форму, удобную для использования непосредственно в РПрУ. ВИП содержит: преобразователи напряжения, выпрямители, фильтры, стабилизаторы напряжения.
Радиоприемные устройства обладают всеми свойствами, характерными для подсистем сложной системы. Они взаимодействуют с другими элементами радиосистемы (РПдУ, антенной, устройствами управления и контроля и др.), с окружающей средой и оператором. в том, что Отдельные тракты, блоки и узлы РПрУ управляют одними и управляются другими элементами подсистемы – в этом проявляется иерархичность структуры информационных радиосистем. Прием сигналов всегда осуществляется в условиях воздействия недетерминированных, непредсказуемых помех – функционирование приемной подсистемы имеет стохастический характер.
Структурная схема на рис.1.1 наиболее общая. В конкретных РПрУ отдельные связи между трактами и даже некоторые тракты могут отсутствовать. Отдельные тракты могут выполнять несколько ограниченный набор функций. Упрощение структуры приемного устройства и ограничение функций отдельных трактов снижают полноту реализации возможностей радиоприема. Качество приема и обработки сигналов улучшается при объединении нескольких РПрУ в радиоприемные системы, управляемые на основе адаптивных алгоритмов. В таких системах каждое РПрУ принимает одну и ту же информацию в различных условиях приема (на разных частотах, в пространственно разнесенных точках, с разными антеннами и т. д.) и под управлением компьютера осуществляется обработка всех принятых сигналов или выделение сигнала, соответствующего наилучшим условиям приема. В многоканальных системах радиосвязи РПрУ содержат дополнительный тракт разделения каналов с оконечными устройствами в каждом канале.
1.2 КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАДИОПРИЕМНИКОВ
Качественные показатели РПрУ определяются электрическими, конструктивно-эксплуатационными и производственно-экономическими характеристиками.
Важнейший показатель качества радиоприемника — чувствительность характеризует способность принимать слабые сигналы. Количественно чувствительность оценивается минимальной ЭДС в антенне еао (для РПрУ умеренно высоких частот) или номинальной мощностью Рао (для РПрУ СВЧ) модулированного сигнала, при которых на выходе приемника сигнал воспроизводится с требуемым качеством. Требуемое качество зависит от выбранного критерия. Например, задается уровень энергии выходного сигнала, обеспечивающий нормальное функционирование оконечного устройства при определенном отношении мощности сигнала к мощности шумов (С/Ш). Часто выбирается какой-либо из вероятностных критериев.
Чувствительность характеризует качество радиоприемника и тех случаях, когда внешние помехи мало влияют на прием, что характерно, например, для приемников со сравнительно малым усилением в УТ, принимающих достаточно сильные сигналы. При этом чувствительность ограничена усилением УТ: чем выше усиление, тем больше уровень сигнала на выходе РПрУ и тем легче получить нужное качество приема.
В реальных условиях эксплуатации РПрУ чаще имеют место ситуации, когда нельзя пренебречь влиянием помех на радиоприем. Если сигнал и помеха сравнимы, то увеличение усиления энергии сигнала в УТ не приводит, очевидно, к росту чувствительности и наименьший уровень сигнала, который может быть принят, определяется фактически только уровнем помех.
Помехи, влияющие на качество приема сигналов, могут быть как внешними, так и внутренними. Внешние помехи имеют индустриальное или природное происхождение. При неудовлетворительной электромагнитной совместимости помехи могут создаваться другими радиосистемами. На выходе РПрУ присутствуют также помехи, обусловленные внутренними шумами – флуктуационными процессами в его элементах. В отсутствие внешних помех чувствительность приемника определяется его внутренними шумами. Например, в диапазоне СВЧ уровень внешних помех сравнительно мал и решающее значение имеют внутренние шумы РПрУ. Чувствительность, ограниченную внутренними шумами, количественно оценивают реальной или пороговой чувствительностью, коэффициентом шума или шумовой температурой.
Избирательность – способность РПрУ выделять сигнал, ослабляя действие мешающих процессов – помех. Избирательность (селективность) основана на использовании тех или иных различий сигналов и помех: направления прихода и времени действия, поляризации, амплитуды, частоты и фазы.
Пространственная избирательность достигается с помощью остронаправленных приемных антенн или путем электронного управления синтезированной диаграммой направленности фазированной антенной решетки. Поляризационная избирательность реализуется также приемной антенной, настраиваемой на вид поляризации волны полезного сигнала. Временная избирательность (при приеме импульсных сигналов) достигается отпиранием приемника только на время действия сигнала.
Частотная избирательность имеет основное значение для систем радиосвязи, в которых сигналы обычно отличаются по частоте и их разделение осуществляется с помощью резонансных цепей и фильтров. При оценке качества РПрУ следует различать односигнальную и эффективную частотную избирательность.
Односигнальная избирательность определяется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) фильтров УТ приемника при действии на его входе только одного малого сигнала (или помехи), не вызывающего нелинейных эффектов. Нормированной АЧХ УТ называют величину
(f) = K(f)/K0, (1.1)
где K(f) – модуль коэффициента усиления (передачи) УТ по напряжению на произвольной частоте f ; Ко — резонансный коэффициент усиления на частоте настройки приемника f0.
Se | Se [дБ] |
Рис.1.2. Характеристики односигнальной избирательности
Количественно односигнальная избирательность РПрУ – величина, обратная (f)
Se = K0/K(f), (1.2)
– определяет ослабление помехи при заданной ее расстройке f = f – f0 относительно f0. Зависимость Se(f) – характеристика односигнальной избирательности – рис.1.2, а).
Современные РПрУ характеризуются весьма значительными пределами изменения Se(F), поэтому обычно используется оценка избирательности в децибелах:
Se[дБ] = 20lg[K0/K(f)] – рис.1.2, б).
Практический интерес представляют значения избирательности в области частот, на которых в УТ могут попасть помехи. Поэтому избирательность РПрУ часто характеризуется рядом численных значений для определенных побочных каналов приема:
Sei = K0/KПi, где KПi — коэффициент усиления (передачи) УТ на частоте помехи fПi i-го побочного канала.
Идеальная характеристика избирательности – прямоугольная с полосой пропускания, равной ширине спектра сигнала, в пределах которой Se = 1, а за ее пределами Se . Такая характеристика обеспечивает неискаженное воспроизведение спектра сигнала и бесконечно большое подавление любой внеполосной помехи. Для оценки степени близости реальной характеристики избирательности к идеальной используется коэффициент прямоугольности
kп = П / П0,7,
где П0,7 — полоса пропускания УТ на уровне 0,707 (3 дБ) и П — полоса на заданном уровне , который выбирается равным одному из значений: 0,1; 0,01; 0,001 и т.д. Для идеальной характеристики kп = 1 – избирательность тем выше, чем ближе коэффициент прямоугольности к единице. Иногда степень близости реальной характеристики избирательности к идеальной оценивают средней крутизной ее скатов или ослаблением при заданной расстройке от частоты f0.
1.2.1 Эффективная частотная избирательность
В большинстве систем радиосвязи и радиовещания сигнал принимается на фоне одной или нескольких значительных по уровню внеполосных помех, при этом даже незначительная нелинейность УТ приводит к таким эффектам, как перекрестная модуляция, сжатие амплитуды, блокирование, интермодуляция. Перекрестная модуляция проявляется в переносе модуляции помехи на полезный сигнал. Если колебание сигнала модулировано, перекрестная модуляция ухудшает отношение сигнал/помеха (С/П) или делает прием сообщения вообще невозможным. Сжатие амплитуды радиосигнала, т.е. нарушение линейной зависимости между амплитудами сигнала на выходе и входе УТ, наблюдается в режиме большого полезного сигнала и обусловлено уменьшением средней крутизны усилительных приборов (УП) за период под его воздействием. Блокирование полезного сигнала возникает также вследствие уменьшения коэффициента усиления УТ, но уже под действием сильных мешающих сигналов с частотами, отличающимися от частот основного и побочного каналов приема.
Интермодуляция проявляется при воздействии на нелинейный элемент в УТ двух или более процессов с частотами fП1, fП2, fП3, ... — на выходе этого элемента возникает сложный спектр интермодуляционных колебаний вида mfП1nfП2 pfП3 ..., где m, p, n — целые числа. Если частоты одной или нескольких составляющих этого спектра совпадают с частотой настройки РПрУ или любого побочного канала приема, такие составляющие усиливаются в УТ наравне с полезным сигналом, накладываются на него, снижают отношение сигнал/помеха и искажают принимаемое сообщение.
В условиях действия сильных помех, приводящих к нелинейным эффектам, наиболее полную характеристику избирательных свойств приемника дает эффективная (многосигнальная) частотная избирательность. Для оценки двух- или трехсигнальной избирательности на вход приемника от измерительных генераторов подаются соответственно два или три колебания, имитирующие сигнал и помехи с определенным соотношением частот и параметров модуляции.
Помехоустойчивость – способность РПрУ обеспечивать нормальное функционирование в условиях воздействия определенной совокупности помех. Для количественной оценки помехоустойчивости используются различные критерии: вероятностный, энергетический, артикуляционный. При приеме дискретных сигналов применяется вероятностный критерий, основанный на определении средней вероятности искажения элементарного сигнала ро, которая зависит от превышения сигнала над помехой h. График функции ро(h) называется характеристикой помехоустойчивости, вид которой зависит от типа модуляции сигнала, свойств среды распространения электромагнитных волн и других факторов. Для оценки помехоустойчивости приема аналоговых сигналов используется энергетический критерий, основанный на измерении отношения мощностей (или эффективных напряжений) сигнала и помехи на выходе РПрУ при заданном отношении С/Ш на входе. Артикуляционный критерий – помехоустойчивость приема речевых сообщений определяется путем экспертной оценки разборчивости передаваемых тестовых текстов.
Реальная чувствительность, избирательность и помехоустойчивость, в значительной мере определяют характеристику электромагнитной совместимости (ЭМС). Характеристика электромагнитной совместимости отражает возможность РПрУ работать как в комплексе с радиоэлектронными устройствами данной радиосистемы (внутрисистемная ЭМС); так и с другими радиосистемами (межсистемная ЭМС). Указанные показателя характеризуют прежде всего восприимчивость радиоприемника к мешающим электромагнитным воздействиям через антенну и по цепям питания, управления и коммутации. Следует отметить, что содержащиеся в РПрУ генераторные, цифровые и иные устройства создают узкополосные или широкополосные электромагнитные излучения, которые могут явиться помехами для других радиоэлектронных средств. Проблема обеспечения ЭМС возникает, например, при размещении РПрУ вблизи РПдУ на подвижных объектах (судах, самолетах, космических аппapaтax) или при работе с общими антеннами.