Радиосвязь - процесс передачи абоненту по радиоканалу информации посредством технических средств.

Лекция 1.

Радиосвязь - процесс передачи абоненту по радиоканалу информации посредством технических средств.

Технические средства:

-передающая аппаратура;

-приемная аппаратура;

-средства визуализации информации (приведение её к усваиваемому виду).

Радиоприем - выделение полезных сигналов из радиоизлучения и преобразование их в вид, позволяющий использовать содержащуюся в них информацию.

Обработка сигналов - процесс преобразования сигналов в соответствии с заданным алгоритмом для изменения переносимой этими сигналами информации.

Радиоприемная аппаратура – комплект электрических цепей, узлов и блоков, предназначенных для приема и преобразования сигналов радиовещания.

Информация - сведения о каких либо событиях или предметах, являющихся объектом для преобразования, передачи, хранения и использования.

Сообщение - форма представления информации для её передачи, хранения. Сообщения бывают дискретными и непрерывными.

Сигнал - процесс изменения во времени физической величины.

Аналоговый сигнал- функция времени, повторяющая закон изменения физической величины.

Дискретный сигнал – принимает конечное множество значений в заданном динамическом диапазоне и интервале времени.

Полезный электрический сигнал – сигнал, переносящий полезную информацию.

Помехой называют посторонние электромагнитные колебания различного происхождения, мешающие приему полезного сигнала.

Модуляция ­– изменение параметров сигнала во времени

 

Назначение и общие характеристики УПиОС.

Приемник – устройства способные воспринимать слабые радиосигналы и преобразовывать их к виду, обеспечивающему использование содержащейся в них информации.

 

Схема приёмника:

 

ПРМ

Оконечное устройство

Демодулированный сигнал

Входной сигнал

Антенна

Функции системы:

Антенна воспринимает энергию электромагнитного поля и преобразует в радиочастотное напряжение.

Приемник выделяет из широкого спектра колебаний, приходящих с антенны полезные сигналы, усиливает их за счет собственного источника питания, ослабляет действие помех, осуществляет выделение полезного сигнала. Выделенный сигнал поступает на оконечное устройство (печатающее устройство).

В ОУ энергия выделяемых сигналов преобразуется в требуемый выходной эффект.

Внутренние параметры приемника характеризуют структуру функционирования, характер внутренних взаимодействий в приемнике.

Внешние параметры приемника характеризую взаимодействие приемника с другими элементами радиотехнической системы и описывают технические характеристики приемника с точки зрения потребителя (тогда как внутренние параметры с точки зрения разработчика).

 

Внешние параметры приемника:

1) Диапазон рабочих частот.

2) Вид принимаемых сигналов.

3) Чувствительность.

4) Восприимчивость к помехам (помехоустойчивость).

5) Динамический диапазон.

6) Точность установки и поддержания частоты настройки.

7) Вид выходных сигналов.

8) Интенсивность собственных нежелательных излучений.

9) Другие эксплуатационные характеристики.

 

Внутренние параметры ПРМ:

10) Число и границы внутренних частотных поддиапазонов.

11) Полоса пропускания.

12) Коэффициент усиления каскадов.

13) Другие.

Рассмотрим параметры ПРМ поподробнее:

1) Отрезок на оси частот между минимальной и максимальной принимаемой частотой.

 

Частота, на которую приемник настроен в текущий момент времени называется рабочая частота или частота основного канала приема.

2) Вид модуляции принимаемого радиосигнала (АМ, ЧМ, ФМ, частотная телеграфия).

3) Чувствительность – минимальный уровень радиомагнитного поля, поданный на вход приемника, при котором коэффициент нелинейных искажений (коэффициент ошибок при приеме цифровых данных) в демодулированном сигнале не превышает заданного значения.

Блок-схема для измерения чувствительности:

 

ГСС

ПРМ

ИНИ

Изм. К.

 

 

ГСС – генератор стандартных сигналов.

ПРМ – приемник

ГСС и ПРМ должны быть согласованны (выходное сопротивление ГСС и входное сопротивление ПРМ должны быть согласованы).

ИНИ – индикатор нелинейных искажений устройства, измеряющий отношение наводок полезного сигнала с помехами.

Порядок работы:

1. Приёмник настраивается на рабочую частоту.

2. На ГСС устанавливают вид модуляции, девиацию, частоту модулирующего сигнала, соответствующую N внешним параметрам приемника.

3. ГСС настраивается на рабочую частоту ПРМ.

4. Выходной уровень ГСС устанавливаю заведомо большей, чем измеренную чувствительность. Во временной области сигналы рассматриваются с помощью осциллографа, в частотной – спектроанализатором. При этом индикатор нелинейных искажений показывает 3 % искажений. Для ПРМ задается предел нелинейных искажений, при которых сигнал на входе можно распознавать

5. Уменьшаем выходной уровень ГСС до тех пор пока ИНИ не покажет предельное значение КНИ (коэффициент нелинейных искажений)

6. Напряжение на ГСС – реальная чувствительность приемника (нижняя граница входного напряжения для приемника).

 

4) Селективность– отношение максимального уровня помехи к реальной чувствительности приемника, при котором значении КНИ в демодулирующем сигнале меньше, либо равно критическому. Селективность измеряется при заданных значениях частотной расстройки между помехой и основным каналом приема.

 

 

Блок схема установки для измерения селективности двусигнальным методом:

 

ГСС1

ГСС2

ПРМ

ИНИ

-6 дБ

 

∑- суммирующее согласующее устройство предназначенное для согласования выходным импедансов ГСС со входом приемника

- обозначение на схеме коаксиального кабеля

 

16-18

50 Ом

 

 

Суммирующее устройство представляет собой согласованную нагрузку(50 Ом) со стороны каждого из 3 входов.

Методика измерения селективности приемника двусигнальным методом:

1. Выбирается частота из диапазона рабочих частот приемника, на которой будет измеряться селективность.

2. Выходная частота ГСС устанавливается равной F _прм – частота основного сигнала приемника, а входной уровень ГСС₁ выбирается больше, чем ожидаемый уровень чувствительности приемника по входу суммирующего устройства. Выходное напряжение ГСС₂ устанавливается равным 0,чтобы до ПРМ дошло ,например, 1 мкв, с ГСС₁ нужно подать 2 мкв.

3. Измеряется реальная чувствительность приемника по входу суммирующего устройства(она будет отличаться от чувствительности по входу ПРМ на коэффициент передачи сумматора (-6 дб)).

4. Уровень выходного сигнала ГСС₁ увеличивается на величину ∆U (она, как правило, гостируется для систем связи различной принадлежности и выражается в дб, при это показания ИНИ уменьшаются(25 % - на грани приема)).

5. Выходная частота ГСС₂ устанавливается равной F_ПРМ +∆F, где ∆ F – заданная частотная расстройка.

f

U

Δf

дд

Δfпрм

Помеха

Полезный сигнал

АЧХ ПРМ

Uкр

UПРМ+ΔU

 

 

Величина ∆F имеет значение ±5∆f_прм (±10 процентов f_прм ), где ∆f_прм – половина полосы пропускания фильтра основной селекции приемника.

Выходной уровень ГСС₂ увеличивается до тех пор, пока индикатор нелинейных искажений не зафиксирует пороговый уровень искажений. Текущее значение выходного напряжения ГСС₂ соответствует уровню помехи, при котором еще возможен прием. Селективность находится как отношение выходного напряжения ГСС₂ к реальной чувствительности ПРМ по входу суммирующего устройства(применимо в случае одинакового коэффициента передачи сумматора по входам ГСС₁ ,ГСС₂ ). Селективность выражается в дБ.

6. Измеряют селективность для частоты помехи f_прм - ∆f_(чтобы оценить симметричность АЧХ ПРМ).

SINAD 6 – обозначение селективности в литературе.Для ∆U=4 раза метод называется SINAD 12

5) Параметр приемника.

Динамический диапазон (ДД) – отношение максимально допустимого напряжения на входе приемника к минимально допустимому напряжению на входе приемника

Максимально допустимое напряжение – напряжение, при котором еще возможен прием на ПРМ.

За минимально допустимое напряжение принимают уровень реальной чувствительности ПРМ.

За максимально допустимое напряжение принимают уровень сигнала, при котором возникает явление, ухудшающее качество приема.

Максимальный уровень – верхняя граница динамического диапазона (измеряется в дБ).

В зависимости от характера этих явлений различают виды динамического диапазона:

А) Динамический диапазон по блокированию - за максимальное напряжение принимают напряжение, при котором возникает явление блокирования ПРМ;

Б) По интермодуляции 3-го порядка - за максимальное напряжение принимают напряжение, при котором возникает явление интермодуляции 3-го порядка.

100 МГц

f_n,m =±nf₁+mf₂

Интермодуляция возникает при различных наложениях (комбинациях) помех.

U₁/U₂ – интермодуляция.

Однодецибельная точка компрессии

Uвых

Uвх

Полезный сигнал

Помеха

1 дБ

Блокирование – изменение коэффициента передачи ПРМ при воздействии сильной помехи.

 

6) Точность установки и поддержания частоты настройки зависит от стабильности параметров источника опорных частот приемника, от стабильности параметров фильтра основной селекции, а также от выбранного способа частотообразования приемника.

7) Видом выходных сигналов ПРМ называют уровни и нагрузочные способности на выходном порте ПРМ или аппаратные и программные форматы выходных данных.

8) Интенсивностью собственных нежелательных излучений называют уровни сигналов внутренних гетеродинов, а также уровни импульсов и флуктуационных помех, измеренные на антенном входе ПРМ.

ПРМ

ОУ

 

Гетеродин – внутренний генератор ПРМ.

9) К другим характеристикам относятся:

-потребляемая мощность;

-вес;

-габаритные размеры и другие эксплуатационно-технические характеристики.

 

Лекция 2.

Структурные схемы радиоприемников.

Схемы различаются построением тракта радиочастоты (ТРЧ), в котором может осуществляться прямое усиление входных сигналов или усиление с преобразованием частоты.

 

 

1.Приемник прямого усиления (ППУ):

 

 

 

Преобразование в приемнике прямого усиления состоит из:

1) Входной цепи (ВЦ), которая обеспечивает предварительную частотную селекцию до первого каскада УРЧ, согласует выходной импеданс антенны со входным импедансом УРЧ , т к антенна- это элемент с распределенными параметрами и на разных частотах может иметь разные сопротивления

2) УРЧ - усилитель радиочастоты, обеспечивает в ПУ основную частотную селекцию и додетекторное усиление сигналов. Все резонансные цепи УРЧ настроены на частоту принимаемого сигнала и могут перестраиваться в диапазоне рабочих частот. Входная цепь вместе с УРЧ составляет тракт радиочастоты (ТРЧ).

3) Демодулятор. Предназначен для демодулирования радиосигнала.

4) УНЧ – усиливает выделенный демодулированный сигнал до уровня, необходимого для работы оконечного устройства (ОУ)

Достоинства: простота

 

Недостатки:

1) С точки зрения получения селективности приемник плохо реализует нужную добротность.

2) С точки зрения чувствительности ППУ требует установки большого количества усилительных каскадов в ТРЧ с перестройкой их по частоте. Технологически это трудновыполнимая задача.

Развитие приемника прямого усиления (ППУ) – регенеративный и суперрегенеративный приемник

2. Регенеративный приемник – приемник, в котором каскад УРЧ охвачен ПОС.

 

У суперрегенеративного приемника происходит возбуждение.

3. Рефлексный приемник – приемник, в котором УРЧ, демодулятор и УНЧ выполняются на одном транзисторе.

 

4. В настоящее время наибольшее распространение получили супергетеродинные приемники:

 

Он состоит из:

1. Тракт РЧ (радиочастоты).

2. Тракт промежуточной частоты (ТПЧ)

3. Тракт низкой частоты (ТНЧ)

ТРЧ состоит из ВЦ и УРЧ.

ТПЧ состоит из ПЧ (преобразователь частоты) и УПЧ (усилитель промежуточной частоты) ;

ПЧ состоит из смесителя и гетеродина.

ТНЧ состоит из демодулятора и УНЧ

ТРЧ осуществляет предварительную селекцию и называется преселектором. Его задачи:

- подавить нежелательное излучение(помехи),идущие из антенны к смесителю и отстроенные от частоты основного сигнала приема на 5-10 процентов и далее;

- преселектор обеспечивает селективность супергетеродинного приемника по зеркальной частоте и по прямому каналу.

Коэффициент усиления преселектора обеспечивает требуемую чувствительность приемника, ограниченную внутренними шумами(требуемый коэффициент шума приемника).Обычно выбирают коэффициент усиления УРЧ ,численно равный потерям сигнала во входной цепи, фидере и смесителе.

Задача тракта ПЧ:

-перенести спектр принимаемого сигнала на ПЧ(без изменения закона модуляции);

-обеспечить основную селекцию сигнала(по соседнему каналу приема);

-обеспечить основное детекторное усиление сигнала.

УПЧ состоит из: смесителя - нелинейного элемента, осуществляющего перемножение во временной области входного сигнала с сигналом гетеродина. Перемножение сигналов во временной области эквивалентно свертке сигналов в частотной области (их спектров).

Сигнал гетеродина представляет собой моногармонический сигнал.

При подаче на вход ПЧ гармонического сигнала на выходе ПЧ мы увидим комбинационные производные этого сигнала с частотами, равные:

f_n,m =±nf_г+mf_с

При подаче на вход смесителя сложного спектра с несколькими гармоническими составляющими, преобразуются каждая их них.

По отношению к модулированному узкополосному выходному сигналу ПЧ действует как линейное устройство (не изменяет его спектральный состав, а переносит его на другую частоту).

 

Лекция 3.

 

Напряжение и ЧХ некоторых каскадов.

 

Практическая промежуточная частота обеспечивает селективность по соседнему каналу приема

 

 

Преобразование 2-го порядка наиболее энергетически выгодно.

Нужно выбрать частоту гетеродина

f₂₁ =101 МГц

В результате работы ПЧ образуется в супергетеродинном приемнике зеркальный канал приема, который расположен на расстоянии 2f_ПЧ от частоты основного приема f₀ в сторону частоты гетеродина.

Рассмотрим прямой канал приема.

Если n=0, m=1 ,то получим прямой канал приема, то есть прохождение сигнала через тракт радиочастоты и преобразование частоты на частоте, равной f_пр. Прямой канал приема соответствует преобразованию первого порядка. Гетеродин в преобразовании не участвует _.

Зеркальный канал и прямой канал являются вредными (побочными) каналами приема. Зеркальный канал находится достаточно близко по частоте.

Вопрос выбора ПЧ не однозначен. С одной стороны значение ПЧ нужно взять высоким для первой селективности приемника по зеркальному каналу приема, с другой, значение ПЧ выгоднее уменьшать для получения более узкой полосы пропускания приемника.

Если стоит задача принимать узкополосные сигналы на ВЧ, когда есть высокие требования к селективности по зеркальному каналу, выбирают схему с двоичным преобразованием частоты.

Первое преобразование обеспечивает селективность по зеркальному каналу приема, второе – по соседнему каналу приема.

 

Блок-схема супергетеродинного приёмника с двоичным преобразованием частоты:

 

Перестраивается только тракт радиочастоты

f_пч =±mf₂+nf_с

Частота гетеродина перестраивается для приема желаемого канала

f₂₌(f_пч-nf_c)/m

ТПЧ1 обеспечивает селективность по прямому и зеркальному каналам приема. Полоса пропускания f_пч1 в приемнике с двойным преобразованием может быть существенно больше полосы принимаемого сигнала.

ТПЧ2 – обеспечивает селективность по соседнему каналу приема. Обеспечивает основное усиление в приемнике. Полоса пропускания f_пч2 должна быть согласована с полосой принимаемого сигнала.

В супергетеродинных приемниках основное детекторное усиление происходит после фильтра основной селекции.

Фильтром основной селекции в приемнике с одним преобразованием частоты является фильтр промежуточной частоты; в приемнике с двумя преобразованиями частоты самый узкий фильтр - ФПЧ2.

Номинал первой промежуточной частоты может быть ниже диапазона рабочей частоты и выше. Если номинал первой промежуточной частоты выше диапазона рабочей частоты, то такой приемник называется инфрадинный.

При выборе промежуточной частоты нужно проводить анализ выбора способа частотообразования на предмет попадания в диапазон рабочих частот и на частоту ПЧ. Продукты преобразования высших порядков также образуют побочный канал приема, но с меньшим коэффициентом преобразования смесителя.

При разработке приемника с двойным преобразованием частоты всегда образуются комбинационные частоты. Чтобы они не попадали в диапазон рабочих частот и ПЧ1, ПЧ2 необходим анализ.

Лекция 4.

Типичные схемы частотообразования в приемниках.

Проектирование КВ приемника (1.5-30 МГц)

1)

 

 

Частота лежит в пределах от 1.5 до 30 МГц.

Стандартная промежуточная частота равна 465 кГц. Она не должна попадать в диапазон рабочих частот.

Задача: выбрать частоту гетеродина.

f_пч =±f₀±f₂, f₀ -частота основного канала приема.

Можно выбрать «верхнюю» и «нижнюю» настройку гетеродина. В случае «верхней» диапазон настройки должен быть:

f_пч =f₂- f₀

«нижней» - диапазон настройки должен быть

f_пч =f₀-f₂.

f₀ МГц

f_пч для верхней МГц

преобразование второго порядка

В случае «нижней» настройки гетеродина перекрытие будет реализовать сложнее.

При выборе предпочтение отдается верхней настройке гетеродина, так как перекрытие рабочих частот меньше.

Рассмотрим приемник с точки зрения подавления зеркального канала на нижней частоте диапазона: не представляет никаких проблем.

На «верхней» частоте диапазона задача подавления зеркального канала трудно осуществима.

Частота зеркального канала отсроена от частоты основного канала приема на величину 2f_пч в сторону частоты гетеродина.

Выбранный способ частотообразования не особенно удобен.

Выбранный номинал промежуточной частоты не позволяет реализовать хорошую селективность по зеркальному каналу на «верхней» рабочей частоте диапазона, поэтому выберем двойное преобразование частоты.

2) Двойное преобразование частоты.

Частотообразование КВ ПРМ с двойным преобразвание частоты.

    Певая промежуточная частота – 60 МГц. Первая ПЧ изображена в виде АЧХ ПФ. частота гетеродина при fпч =f2- f0 равна…

Настроенная антенна.

Возможны различные виды согласующей связи фидера со вхо­дом приемника: автотрансформаторная, трансформаторная, с ем­костным делителем. При… Автотрансформаторная связь используется при ко­аксиальном кабеле. …

Двойной балансный диодный смеситель

Данная схема работает в обоих полупериодах (сначала открываются верхние диоды, во второй полупериод открываются средние диоды). Энергия в данной… Иногда ослабления помех зеркального капала в фильтре недо­статочно, а…  

Выбор ПЧ.

ПЧ не должна: - быть в рабочем диапазоне; -не попадать в мощные вещательные частоты других станций;

Демодуляция АМ сигнала