30

1.3 РАДИОТРАКТ ПРИЕМНИКА

Информационный и усилительный тракты реализуют важнейшие функции РпрУ – рис.1.4. Усилительно-преобразовательный тракт (УТ) выделяет сигналы из всей совокупности поступающих от антенны помех, не совпадающих по частоте с сигналом, и усиливает энергию сигнала до уровня, необходимого для нормальной работы после­дующих каскадов. Информационный тракт (ИТ) предназначен для основной обра­ботки сигнала с целью получения информа­ции и ослабления мешающего воздействия помех; важнейшая задача ИТ – выделение информации с максимальной достоверностью.

Принятый антенной радиосигнал с частотой f_С поступает в тракт высокой частоты (ТВЧ), в котором осуществляются частотная избирательность и усиление, возможно преобразование частоты, амплитудная и временная избирательность. Детектор (Д) преоб­разует принимаемые модулированные сигналы в напряжение, со­ответствующее передаваемому сообщению. В тракте частоты мо­дуляции f_m (ТЧМ) реализуется последетекторная обработка сиг­налов: усиление, дополнительные преобразования для ослабления действия помех, декодирование и разделение сообщений (в много­канальных системах).

Рис.1.5. Структурные схемы РПрУ







ЦС


Рис. 1.5, а) – Детекторный приемник	Рис. 1.5, б) – Приемник прямого усиления

Приемник прямого усиления (рис.1.5, б) отличается от детекторного наличием усили­теля радиочастоты (УРЧ) и, как следствие, значительно бόльши­ми чувствительностью и избирательностью. Входная цепь и изби­рательные цепи УРЧ настроены на частоту принимаемого радио­сигнала. На этой частоте и осуществляется усиление радиосигнала, причем ВЦ обес­печивает предварительную, а УРЧ основную частотную избира­тельность и значительное усиление энергии сигнала. В тех диапазонах, где чувстви­тельность РПрУ определяется его собственными шумами, в качестве УРЧ используют малошумящие усилители (МШУ). Перестройка частоты приемника прямого усиления требует согласованной перестройки всех резонансных систем ВЦ и УРЧ.

При необходимости большого усиления энергии сигнала УРЧ может содержать несколько каскадов, что сопряжено со снижением его устойчивости и общей избирательности приемника, затрудняет техническую реализацию перестройки частоты. Вместо увеличения числа каскадов УРЧ можно использовать регенеративные и сверхрегенеративные уси­лители, обеспечивающие большее усиление в каждом каскаде. Однако такие усилители отличаются повышенными искажениями, относи­тельно низкой устойчивостью по отношению к дестабилизирующим факторам, повышенными паразитными излучениями. Поэтому они применяются редко, например, в портативных приемниках СВЧ. При любых типах используемых УРЧ полностью преодолеть присущие схеме прямого усиления недостатки не уда­ется, поэтому такие РПрУ с фиксированной настройкой применяются практически только в микроволновом и оптическом диапазонах.

Супергетеродинный принцип (рис. 1.5, в) существенно улучшает качественные показатели РПрУ. Супергетеродинные приемники строятся на основе преобразования частоты принимае­мого сигнала – переноса его в частотную область, где он может быть обработан с наибольшей эффективностью. Широкое распространение во всех радиодиапазонах получила построенная на этом принципе схема супергетеродинного приемника – рис. 1.5, в).

Г

Рис. 1.5, в) – Супергетеродинный приемник

В супергетеродинном приемнике сигналы частоты f_С преобразователем частоты (ПЧ) преобразуются в ко­лебания фиксированной промежуточной частоты f_ПР, на которой и осуществляются основное усиление и частотная избирательность. Преобразователь частоты состоит из смесителя (См) и генератора вспомогательных колебаний – гетеродина (Г). Смеситель содержит нелинейный элемент или элемент с переменным параметром, поэтому в результате воздей­ствия сигнала и колебаний гетеродина с частотой f_g на его выхо­де возникают колебания с комбинационными частотами

f =  mf_g  nf_С ,

где т, п – целые числа.

Одна из этих комбинацион­ных составляющих выделяется фильтром (резонансной системой) на выходе смесителя и используется в качестве новой несущей частоты выходного сигнала, усиливаемого затем усилителем про­межуточной частоты (УПЧ). Обычно используется наиболее ин­тенсивная комбинационная составляющая с т = l, п = 1 (простое преобразование), но иногда и с т  1, п =1 (сложное или комби­национное преобразование). При этом можно использовать как разность частот f_g и f_С (разностное преобразование), так и их сум­му (суммарное преобразование). При наиболее широко применяемом простом разностном преобразовании обычно f_ПР = f_g  f_С («верхняя» настройка гетеродина), но возможна и «нижняя» на­стройка с f_ПР = f_С  f_g. В обоих случаях f_g выбирается так, чтобы f_ПР была ниже границы диапазона рабочих частот f_ПР < f_{С min} .

Для того чтобы f_ПР оставалась постоянной при перестройке приемника в некотором диапазоне частот f_С, осуществляется со­пряженная перестройка ВЦ, резонансных цепей УРЧ и гетероди­на. Поскольку сигнал несет в себе полезную информацию, кото­рая в процессе преобразования должна сохраняться, ПЧ должен быть линейным по отношению к первичному сигналу, несмотря на принципи­ально нелинейный характер происходящих в нем процессов. Дру­гими словами, при преобразовании частоты происходит перенос спектра сигнала в область промежуточной частоты без наруше­ния амплитудных и фазовых соотношений его составляющих.

Радиочастотные цепи обладают, в большинстве слу­чаев, относительно широкой полосой пропускания – они обеспечи­вают лишь предварительную частотную избирательность (селекцию). Поэтому ВЦ и УРЧ называют предварительным селектором (преселектором). Основ­ная же избирательность приемника реализуется в тракте проме­жуточной частоты.

Чем выше частота принимаемого сигнала, тем сложнее в прин­ципе получить устойчивое малошумящее усиление энергии в УРЧ. По­этому на коротких сантиметровых и особенно на миллиметровых и оптических волнах приемники чаще всего не имеют УРЧ, при этом функция предварительной избирательности ложится цели­ком на входные цепи (ВЦ), а к шумовым характеристикам преобразователя частоты предъявляются повышенные требования.

Перенос сигнала на более низкую фиксированную частоту име­ет существенные преимущества: возможность реализации высокого устойчивого усиления за счет ослабления роли паразитных обрат­ных связей (ОС); сужение полосы пропускания без усложнения фильтрующих (резонансных) цепей; упрощение реализации УПЧ вследствие отсутствия необходимости перестройки. Следует, однако, иметь в виду, что пре­образование частоты обусловливает и ряд особенностей суперге­теродинного приема, требующих принятия специальных мер для нейтрализации их отрицательного влияния на показатели и ха­рактеристики РПрУ. К таким особенностям относятся: образова­ние побочных каналов приема, по которым в тракт РПрУ прони­кают различные помехи: влияние нестабильности частоты гетеро­дина на настройку приемника; возможность излучения колебаний гетеродина через приемную антенну. При высоких требованиях к избирательности по побочным ка­налам приема приходится применять 2-х- или 3-хкратное по­следовательное преобразование частоты, понижая ее до основной промежуточной, на которой и достигаются обычно необходимая избирательность по соседнему каналу и усиление.

Как при суммарном, так и при разностном преобразовании возможно такое преобразование частоты, когда f_ПР > f_Сmax. Такой супергетеродинный приемник называется инфрадином и отличает­ся тем, что при его работе в диапазоне частот перестраивается только гетеродин; преселектор может либо не перестраиваться вообще – широкополосные преселекторы, либо перестраиваться пу­тем переключения входных фильтров – фильтровые преселекторы. Высокую промежуточную частоту приходится затем понижать с помощью другого преобразователя. Достоинства инфрадина: возможность существенного подавления побочных кана­лов за счет высокой избирательности более сложных и совершен­ных входных цепей с фиксированной настройкой, упрощение настройки. Недо­статки – опасность перегрузки усилительных элементов широко­полосных входных каскадов посторонними мешающими процессами (помеха­ми) и повышенные требования к стабильности частоты высокочас­тотного гетеродина. Применяются инфрадины в системах подвижной связи и в других системах с беспоисковой (фиксированной) настройкой приемника.

Если выбрать f_С = f_g, то при разностном преобразовании f_ПР = 0 и реализуется принцип построения РПрУ с прямым преобразованием частоты сигнала (с преобразованием в «нулевую частоту»). В качестве смесителя используется перемножитель (рис. 1.5, г), на который поступают сигнал с преселектора и колебания гете­родина СГ, синхронизированные относительно колебаний сигнала с точностью до фазы с помощью цепи синхронизации (ЦС). На выходе перемножителя, играющего в данном случае роль синхрон­ного детектора, получается сигнал с частотой модуляции F_М, вы­деляемый фильтром нижних частот (ФНЧ) с полосой пропуска­ния F_Mmax, соответствующей максимальной частоте модуляции сигнала. Фильтр подавляет все составляющие, отстоящие от f_С на частоту более F_Mmax, чем достигается частотная избирательность приема. Такой приемник называется синхродином. К его достоинствам относятся простота и отсутствие ряда побочных каналов приема. Недостатки—низкая помехоустойчивость цепи синхрони­зации, содержащей систему ФАПЧ, и повышенные требования к линейности тракта. На основе двухканальных синхродинов с ис­пользованием квадратурных колебаний от общего гетеродина реа­лизуется асинхронный приемник прямого преобразования частоты, в котором не требуется синхронизация колебаний гетеродина и сигнала с точностью до фазы.

Супергетеродинный принцип построения РПрУ наиболее распространен. Многие из особенностей этого принципа обусловлены образованием соседних и побочных каналами приема, по которым в тракт РПрУ проникают помехи с частотами f_П. Спектр сигнала находится в основном канале приема – в полосе пропускания приемника. Соседний канал приема — это канал на частоте f_СК, примыкающей к основному каналу на частоте f_С. Вследствие недостаточной избирательности преселектора соседний канал не отфильтровывается и образует в преобразова­теле частоты помеху с частотой f'_ПР =  f_g  f_СК  f_ПР, попадающей в полосу пропускания УПЧ. Такая помеха усиливается на­равне с сигналом. Основная мера борьбы с помехами по соседнему каналу — повышение избирательности УПЧ.

Формулу для частот всех каналов приема можно записать в виде

f_П = mf_g  f_ПР  / n. Для сигнала с частотой f_С (m = 1, n = 1) знак «плюс» соответствует «нижней» настройке гетеродина, знак «минус» — «верхней».

Зеркальный, или симметричный, канал образуется внешней по­мехой на частоте f_П = f_ЗК = f_g + f_ПР = f_С + 2 f_ПР (m=1, n=1) при «верх­ней» настройке или f_П = f_ЗК = f_g  f_ПР = f_С  2 f_ПР — при «нижней». Ес­ли эта частота попадает в полосу пропускания преселектора, то в ПЧ появляется составляющая с частотой  f_ЗК  f_g  = f_ПР, т.е. та­кой же, какую образует полезный сигнал. В результате происхо­дит наложение спектров полезного сигнала и помехи, и их частот­ная фильтрация становится невозможной. Для ослабления помех по зеркальному каналу необходимо повышать частотную избира­тельность предварительного селектора (преселектора). Увеличение промежуточной частоты f_ПР позволяет лучше отфиль­тровать в преселекторе составляющую, отстоящую от частоты сигнала на 2f_ПР, но при этом затрудняется обеспечение высокой избирательности УПЧ с полосой пропускания, сопряжен­ной с шириной спектра полезного сигнала. Если требования к ос­лаблению помех по соседнему и зеркальному каналам очень жест­кие, применяют два-три последовательных преобразования час­тоты.