2.6 ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН

РАДИОПРИЁМНОГО УСТРОЙСТВА

Динамический диапазон (ДД) – интегральная характеристика радиоприемника, связывающая его чувствительность и избирательность с нелинейными свойствами тракта высокой частоты (ТВЧ). Эта системная характеристика в значительной мере определяет основные показатели радиолиний: качество принимаемых сообщений, пропускную способность, ЭМС и др.

Верхний уровень рабочих сигналов, принимаемых с допустимыми искажениями, ограничен нелинейными эффектами, возникающими в усилителях радиочастоты (УРЧ), в преобразователях частоты (ПЧ), в усилителях промежуточной частоты (УПЧ) из-за нелинейности электродных (вольт-амперных) характеристик (ВАХ) электронных приборов и перегрузки их помехами, а нижний уровень – собственными шумами. Область, лежащая между этими уровнями, и определяет динамический диапазон (ДД) радиоприемника.

Амплитудная характеристика реального тракта высокой частоты (ТВЧ) отличается от идеальной (линейной). Влияние таких отклонений при приеме ЧМ сигналов проявляется слабее, чем при АМ сигналах. Идеальный ТВЧ обладает избирательностью, равной избирательности оптимального фильтра. Реальный тракт высокой частоты даже при использовании согласованных фильтров ухудшает отношение сигнал/помеха на выходе из-за нелинейного взаимодействия сигналов и помех в функциональных элементах тракта. Степень приближения избирательности реального ТВЧ к идеальному можно характеризовать коэффициентом ухудшения избирательности

_ИЗБ = (h²_CИ /h²_CP),

где индексы «и» и «р» соответствуют идеальному и реальному трактам.

Для характеристики избирательных свойств тракта высокой частоты (ТВЧ) коэффициент _ИЗБ имеет тот же смысл, что и коэффициент шума при оценке чувствительности; цель оптимизации тракта – минимизация этого коэффициента. По своей содержательности коэффициент _ИЗБ векторный и зависит от внутренних факторов (параметры элементов, узлов, каскадов) и от внешних – характер помех и их соотношения. Однако многие из этих частных показателей противоречивы и установить для них весовые коэффициенты трудно, поэтому коэффициент _ИЗБ рассматривается как скалярный.

Обработку сигналов и помех можно выполнять с помощью цифровых фильтров (ЦФ). Такие фильтры работают при большом уровне сигналов и требуют предварительного усиления. При этом для защиты электронного прибора (ЭП) от перегрузки помехами необходима фильтрация сигнала линейными цепями, нечувствительными к перегрузкам. При фильтрации сигналов сложной формы существенное значение приобретает переходная характеристика цепи.

В этих условиях фильтры, выполненные на основе равноволновой ап-проксимации коэффициентов передачи, обеспечивают внутри полосы П_Н близкую к прямоугольной АЧХ с плавным спадом за ее пределами, крутизна АЧХ в области внеполосных излучений определяется избирательностью по соседнему каналу приема и нормируется. Такие фильтры предпочтительнее фильтров с чебышевской АЧХ, поскольку используют меньшее число звеньев.

При оценке восприимчивости РПрУ практическое значение имеет ухудшение частотной избирательности при действии электромагнитных помех (ЭМП) высокого уровня из-за нелинейности процесса их взаимодействия с рабочими сигналами. Эти процессы сопровождаются нелинейными эффектами в виде блокирования сигналов, перекрестной модуляции и интермодуляции помех. Причиной возникновения искажений сигнала является нелинейная зависимость входного i₁ = f(u₁, u₂) и выходного i₂ = f(u₁, u₂) токов УП от входного u₁ и выходного u₂ напряжений каскадов. Напряжение u₂ отражает изменения, вызываемые нелинейными процессами в каскаде. Это позволяет оценить нелинейность АХ тракта коэффициентом нелинейности

K = (U_СН/U_СЛ)_ВЫХ,

где U_СН – изменение напряжения сигнала на выходе реального тракта под действием помех; U_СЛ – напряжение сигнала на выходе линейного тракта в отсутствие помех. Определив величины U_СН с учетом избирательности каскадов, можно оценить соответствующие коэффициенты нелинейности всего тракта.

Амплитуда сигнала на выходе i-го усилительного каскада тракта с учетом его нелинейности

U^(Н)_Сmвых _i = К_{0 i}(1+ К_Hi) U^(Н)_Сmвх _i,

где К_{0 i} – коэффициент усиления i-го каскада в линейном режиме; К_Hi – коэффициент нелинейности каскада.

Коэффициент нелинейности амплитудной характеристики тракта

К_H.ТР = .

При малой нелинейности каждого каскада (К_{H i} « 1) это выражение упрощается:

К_H.ТР  К_Hi. (2.5)

Нелинейные свойства усилительного прибора (УП) определяются функциями

i₁ = f(u₁, u₂) и i₂ = f(u₁, u₂).

Для установления взаимосвязи между амплитудами первых гармоник токов I_т1 и I_т2 они могут быть представлены рядами Тейлора для функций двух переменных. Соответствующие выражения содержат значения крутизны ВАХ электронного прибора в рабочей точке Y₂₁ и ее производных разных порядков, а соотношения между ними представляют собой параметры нелинейности этих приборов.

Коэффициент нелинейности амплитудной характеристики каскада можно выразить соотношением К_Hi = _Hi U ²_{Сmax i},

где _Hi – учитывает параметры нелинейности усилительного прибора (УП).

При малом уровне сигналов для усилительных каскадов на БТ

_Hi = – a²/8, где a  30 1/В; для ПТ _Hi  – (Y'₂₁ /Y₂₁)²/4.

Амплитуда сигнала на входе (n +1)-го усилительного каскада тракта

U_{Сmax n} = U_Сmax .

При однотипных каскадах коэффициент нелинейности тракта

К_H.ТР  _Hi U ²_{Сmax n}.

Это означает, что нелинейность тракта при однотипных каскадах усиления определяется перегрузкой последнего каскада.

2.6.1 Блокирование сигналов в радиоприемнике

Эффект блокирования проявляется в изменении уровня сигнала (отношения сигнал/помеха) на выходе РПрУ при действии на его входе помехи, несущая частота которой отличается от частот настройки и побочных каналов приема. Частота f_БЛ блокирующей помехи лежит вне полосы пропускания фильтра основной избирательности, но может находиться в пределах полосы, пропускания пре селектора, быть равной частоте соседнего канала: f_БЛ = f_СК или не совпадать с ней:

f_СК.Н > f_БЛ > f_СК.В,

где индексы «н» и «в» относятся к нижнему и верхнему соседним каналам. Полоса частот, в которой проявляется эффект блокирования, называется полосой блокирования, и ее ширина прямо зайисит от уровня помехи и восприимчивости РПрУ. Параметры радиоприемника по блокированию: коэффициент блокирования К_БЛ, динамический диапазон (ДД) по блокированию D_БЛ и уровень восприимчивости по блокированию _В.БЛ.

Коэффициент блокирования представляет собой отношение разности напряжения сигнала на выходе радиоприемника U_СП = U_СО – U_СП при отсутствии (U_СО) и наличии (U_СП) помехи на его входе к напряжению выходного сигнала в отсутствие помех:

К_БЛ = (U_СП /U_СО)_ВЫХ.

Коэффициент блокирования К_БЛ тракта высокой частоты ТВЧ определяется параметрами ВЦ, УРЧ, ПЧ, УПЧ и связан с коэффициентами шума Ш, усиления по мощности К_{P i} и блокирования К_{БЛ i} этих каскадов:

К_БЛтр = 1/(_Ш0 + _Ш1/ К_БЛ1 + _Ш2/ К_БЛ1К_БЛ2 + _Ш3/ К_БЛ1К_БЛ2К_БЛ3),

где _Ш0 = Ш₁ / Ш ; _Ш1 = (Ш₂ – 1) / ШК_Р1ном; _Ш2 = (Ш₃ – 1) / ШК_Р1ном К_Р2ном;

_Ш3 = (Ш₄ – 1) / ШК_Р1ном; К_Р2ном и К_Р3ном – параметры, характеризующие относительный вклад каждого каскада в общий коэффициент шума (1.7).

При большом коэффициенте К_Р2ном УРЧ не только снижается доля шумов, вносимых последующими каскадами тракта в Ш, но и ослабляется эффект блокирования сигналов в этих каскадах. Обычно выбирается К_Р2ном = 10...30 дБ; при этом _Ш2 « _Ш1, _Ш3 « _Ш1 и при малом _Ш0 величина К_БЛтр определяется значением К_БЛ1 (УРЧ).

Оценим влияние избирательности элементов тракта высокой частоты (ТВЧ) на коэффициент К_БЛтр. Амплитуда сигнала на выходе i-го каскада при наличии узкополосной (квазигармонической) помехи

U_{CmВЫХ i} = K_{0 i} U_{Cmax i}(1 + K_БЛi),

где K_{0 i} – коэффициент усиления каскада по напряжению; K_БЛi – коэффициент блокирования каскада, определяемый амплитудой помехи U_{Пmax i} на его входе.

Без учета детектирования помехи коэффициент

K_БЛi = _НiU²_ПmВХi.

Средняя частота помехи отличается от резонансной частоты контуров тракта. Поэтому амплитуда помехи на выходе i-го каскада

U_ПmВЫХi = K_{0 j}  _j (f),

где  _j (f) — ордината характеристики относительного коэффициента усиления j-го каскада при расстройке помехи f = | f_С – f_П|.

При достаточно малой нелинейности электронных приборов коэффициент блокировки тракта

К_БЛтр  K_БЛi = U²_ПmВХK_П.ВЦ(_Н1 + _Н2K²_П1 + _Н3 K²_П1 K²_П2 + … ),

где K_Пi = K_0i  _j (f) – коэффициент усиления помехи с учетом избирательности.