Радіоприймачів

Усі радіоприймачі можна поділити на дві великі групи: побутові та професійні. Перші призначені для приймання програм радіомовлення і телебачення. Ними користується населення без спеціальної підготовки, тому вони повинні бути простими в експлуатації, мати мінімальну кількість органів керування та задовільні експлуатаційні параметри. Професійні радіоприймачі використовуються для розв'язання спеціальних задач радіозв'язку, радіонавігації, радіолокації, радіовимірювань тощо. До їхніх експлуатаційних параметрів ставляться досить жорсткі вимоги. Експлуатують такі радіоприймачі оператори зі спеціальною підготовкою.

Загальні технічні показники радіоприймачів такі самі, як і аналогічні показники радіопередавачів. Це — призначення та місце експлуатації, діапазон робочих частот, напруга, живлення, кліматичні умови тощо. Проте якість приймання, виділення і перетворення радіосигналів визначається також деякими експлуатаційними параметрами, серед яких основними є: чутливість, вибірність, ширина смуги частот високочастотного тракту, діапазон робочих частот, динамічний діапазон, номінальна потужність і напруга сигналу на виході. Крім цих, для радіоприймачів різного класу встановлюють ще нормативи на якість відтворення сигналу: рівні лінійних та нелінійних його спотворень та перетворень.

Чутливість радіоприймача визначається мінімальною електрорушійною силою сигналу в антені, при якій на виході здобувають номінальну потужність або напругу. Чутливість виражається в мілівольтах, а для радіоприймачів, що працюють від внутрішньої феритової антени, — в мілівольтах на метр дієвої висоти антени (тобто це напруженість поля в точці приймання). Здобуття високої чутливості забезпечується підсилювальними властивостями всіх каскадів радіоприймача та їх завадозахищеністю.

Чим вищий рівень зовнішніх завад і власного шуму на вході радіоприймача, тим більшим має бути рівень сигналу для його впевненого приймання та тим меншою є чутливість радіоприймача. В діапазонах кіло- і гектометрових хвиль зовнішні завади значно перевищують власні шуми радіоприймача. Одним з ефективних заходів зниження їх впливу є звуження смуги пропускання високочастотного тракту та застосування спрямованого приймання. У приймачах радіомовлення для впевненого і якісного приймання сигналів останні мають перевищувати рівень зовнішні завад на 20...ЗО дБ, що відповідає чутливості 50...200мкВ. У більш короткохвильових діапазонах, де власні шуми радіоприймача сумірні з сигналом, а зовнішні завади мають другорядне значення, у вхідних каскадах радіоприймачів застосовують спеціальні схеми ПРЧ з низьким коефіцієнтом власних шумів.

Вибірність — це здатність радіоприймача виділяти і підсилювати лише сигнал вибраної радіостанції з сукупності всіх зовнішніх сигналів в антені, створюваних рештою радіопередавачів та завадами. Кількісно вибірність визначається ступенем ослаблення сигналів і завад відносно сигналу вибраної радіостанції при точному настроюванні на неї, тобто це відношення коефіцієнта підсилення сигналу вибраної станції до коефіцієнта підсилення сигналу завади при точному настроюванні на вибрану станцію.

Вибірність радіоприймачів визначається резонансними властивостями їхніх коливальних систем і знаходиться у протиріччі із забезпеченням широкосмугового приймання сигналів, тому що розширення смуги частот призводить до погіршення вибірності. Для розв'язання цього протиріччя застосовують складні коливальні системи — ФЗС, системи розосередженої селекції на розстроєних парах і трійках контурів та перенесення основної фільтрації сигналів в областях знижених проміжних частот (супергетеродинне приймання). Вибірність як відносна величина виражається в децибелах і для радіомовлення з АМ становить 20.. .60 дБ (що відповідає послабленню сигналу сусідньої станції в 10...1000 разів).

Ширина смуги частот високочастотного тракту радіоприймача визначається смугою спектра сигналу, який приймається. Для різних сигналів цей показник різний. Так, для телефонних каналів зв'язку з АМ це буде 6 кГц; для радіомовлення при сигналі з АМ — 9 кГц, а при сигналі з ЧМ — 250 кГц; для імпульсних радіолокаторів — від 1 до 100 МГц.

Радіоприймачі в більшості своїй—діапазонні пристрої. В радіомовленні та радіозв'язку діапазони розбивають на піддіапазони, я в межах піддіапазонів «розтягують» їхні окремі ділянки. Це роблять для рівномірності підсилення і вибірності в межах робочого діапазону, а також для зручності та підвищення точності настроювання на вибрані станції. У професійних радіоприймачах (наприклад, літакових, корабельних, військового зв'язку) може бути здійснене фіксоване настроювання на сигнали кількох частот.

Динамічний діапазон визначається відношенням максимальної амплітуди сигналу на вході радіоприймача при допустимому рівні нелінійних спотворень до чутливості. Справа в тому, що при високій чутливості радіоприймача сигнали від близьких потужних радіостанцій можуть створювати в антені настільки велику напругу, що сигнал на виході радіоприймача матиме недопустимі нелінійні спотворення. Щоб уникнути цього і розширити динамічний діапазон, у радіоприймачах застосовують підсилювачі із спеціальними (наприклад, логарифмічними) АХ, а також системи АРП. Це забезпечує зниження коефіцієнта підсилення при збільшенні амплітуди напруги в антені.

Номінальні потужність і напруга сигналу на виході — це такі значення потужності та напруги, які забезпечують роботоздатність кінцевого перетворювача сигналу (динаміка, електронно-променевої трубки тощо) без помітних нелінійних спотворень сигналу в ньому. Цi величини визначаються типом перетворювального елемента i можуть лежати в межах від часток до десятків ватів i вольтів.

Kpiм розглянутих параметрів, радіоприймачі характеризуються також якістю відтворення сигналів: їхніми частотними, фазовими та нелінійними спотвореннями. Характер, причини виникнення i способи зменшення цих спотворень досить докладно були розглянуті у другому розділі підручника.

Приймання радіосигналів полягає в перетворенні енергії електромагнітних хвиль на енергію високочастотних струмів за допомогою антен на підставі закону електромагнітної індукції. 3 безмежної кількості різноманітних сигналів, що наводяться в антені, потрібний сигнал виділяється коливальним контуром завдяки його резонансним властивостям. Оскільки радіосигнал е лише носієм інформації, зміст якої закладено в низькочастотному модулювальному коливанні, для відтворення інформації або її реєстрації треба виконати демодуляцію прийнятого сигналу високої частоти. Таким чином, найпростіший радіоприймач має складатися з антени, вхідного кола, детектора та реєструвального або відтворювального низькочастотного пристрою, наприклад телефону (рис. 8.8, а). Такий радіоприймач називається детекторним.

Цей найпростіший радіоприймач не потребуе навіть джерела живлення. Це забезпечило йому велике поширення в перші роки розвитку радіомовлення. Проте такий радіоприймач мае дуже погану вибірність, зумовлену вибірними властивостями лише одного коливального контуру, i незначну чутливість, оскілъки приймання сигналів ведеться без підсилення. Тому він роботоздатний тільки в километровому діапазоні для приймання сигналів місцевих потужних радіостанцій.

Уведення в детекторний радіоприймач хоча б одного підсилювача перетворює його на приймач прямого підсилення, який можна побудувати як за повною (рис. 8.8, б), так i за скороченою (тобто тільки з ПЗЧ або тільки з ПРЧ) схемою.

Підсилювач звукових частот забезпечує потрібну потужність сигналу на виході, що дає змогу перейти від телефону до гучномовця.

Підсилювач радіочастоти забезпечуе підвищення як чутливості, так i вибірності радіоприймача. Чутливість підвищується завдяки підсиленню слабких сигналів від малопотужних i віддалених радіостанщй, а вибірність — завдяки введенню додаткового коливального контуру. Тут, правда, виникае утруднення, пов'язане з необхідністю мати блок спарених змінних конденсаторів.

Рис. 8.8. Структурна схема радіоприймачів

Завдання підвищення вибірності може бути вирішене іншими способами, запропонованими ще в 1913 р. англійцем Роундом. Маються на увазі автодинний i регенеративний способи приймання сигналів. Для їх здійснення вхідний контур підключають до керувального електрода електронної лампи або транзистора, а підсилювач, побудований на лампі чи транзисторі, охоплюють позитивним 33, глибину якого можна регулювати. За умови встановлення балансу амплітуд та перетворення ПРЧ на автогенератор маємо автодинний радіоприймач, а якщо глибина 33 трохи менша за критичну i генерація не виникає, то — регенеративний радіоприймач.

Фізичний зміст підвищення чутливості та вибірності схеми в обох випадках полягає в тому, що завдяки введенню позитивного ЗЗ зменшуються еквівалентні втрати в коливальному контypi, збільшуючи тим самим його еквівалентну добротність i вхідний onip. Це й приводить до підвищення коефіцієнта передачі; коливального контуру та прямокутності його еквівалентної резонансної характеристики. При автодинному прийманні до цього ще додається позитивний вплив биття між коливаннями власного автогенератора i прийнятого сигналу.

Основним недоліком приймача прямого підсилення є відсутність вибірностi для сигналів радіостанцій з близькими значеннями носійних частот у діапазонах декаметрових та метрових хвиль. Це зумовлено значним розширенням смуги пропускання коливальних контурів зi зростанням ixнix резонансних частот.

Наприклад, якщо взяти конструктивно допустиму добротність коливального контуру 100, то при носійній частоті сигналу 10 МГц дістанемо смугу пропускания 10⁵ Гц. У таку смугу вкладається приблизно 10 сусідніх каналів радіомовних станцій з AM сигналу. Kpiм того, радіоприймачі прямого підсилення мають низьку чутливість i нерівномірно підсилюють сигнали в межах робочих діапазонів. Усе це призвело до необхідності вдосконалення схеми радіоприймача. Таке вдосконалення у вигляді нового принципу радіоприймання (супергетеродинного) запропонував у 1917 р француз Л. Лeвi, а здійснив у 1918 р. американець Е. Армстронг.

Принцип супергетеродинного приймання (рис. 8.8, в) полягае в тому, що прийняті коливання носійної частоти перетворюються на фіксовану проміжну частоту, на якій i відбувається основне підсилення сигналу до його детектування. Перехід до фіксованої проміжної частоти забезпечує високі вибірність та чутливість не тільки завдяки тому, що ця частота майже завжди нижча за носійну, а й тому, що для виділення i підсилення смуги частот сигналу на фіксованій частоті застосовуються настроєні на одну частоту каскади підсилення проміжної частоти з ФЗС, які мають високу добротність та майже П-подібну форму резонансної кривої. Як ФЗС використовують зв'язані контури, п'єзоелектричні й електромеханічні фільтри.

Значне підсилення сигналів на проміжній частоті дає змогу здійснити детектування без спотворень сигналу діодним детектором у лінійному режимі детектування, а також АРП, автоматичне підстроювання частоти гетеродина, індикацію точності настроювання тощо.

Перетворення носійної частоти прийнятих сигналів на проміжну частоту здійснюється за допомогою перетворювача, схему i принцип роботи якого розглянуто в другому розділі підручника.

Роль гетеродина відіграє малопотужний автогенератор. Іноді перетворювач частоти (змішувач) i гетеродин будують на одному й тому самому транзисторі чи мікросхемі Оскільки радіоприймач діапазонний, треба забезпечити таку зміну частоти гетеродина при зміні частоти сигналу, щоб їx різниця в межах діапазону була сталою величиною. Для цього користуються блоком конденсаторів змінної ємності. Проте внаслідок того, шо блоки конденсатора ідентичні, а початкові частоти f_с i f_r piзнi, забезпечити сталість їx різниці в межах діапазону неможливо. Це досягається способом спряженія контурів вхідного кола та гетеродина, запропонованим В. I. Сифоровим, що розглядається нижче.

Вибір проміжної частоти f_пр залежить від типу радіоприймача i смуги частот сигналу. Для різних радіоприймачів значения f_пр лежить у межах 110 кГц … 200 МГц (для радіомовлення з AM вибрано проміжну частоту f_пр 465 кГц).

Істотним недоліком супергетеродинного радіоприймача є наявність прямого та дзеркального каналів проходження сигналів, а також інтерференційних свистів. Схеми радіоприймачів, що працюють на проміжній частоті, не захищені від сигналів, частоти яких дорівнюють проміжній частоті, i тих, частоти яких лежать вище частоти гетеродина на значення npoміжнoї частоти f_пр. Це означає, що при настроюванні на частоту сигналу f_с будуть прийняті ще сигнали з частотами f_пр та f_дз =f_г +f_пр. Щоб позбавитися цих зайвих каналів приймання, треба перед перетворювачем частоти здійснити попередню вибірність (преселекцію) сигналів для дзеркального каналу i каналу прямого проходження. Така селекція здійснюється у вхідному колі, яке в супергетеродинних радіоприймачах називається преселектором.

Відстроювання від сигналів дзеркального каналу здійснюється завдяки резонансним властивостям вхідного кола та резонансного кола ПРЧ. Для запобігання ж проходженню сигналу з частотою f_пр перед вхідним колом установлюється режекторний фільтр-пробка. Це паралельний контур, настроєний на частоту f_пр.

Основними заходами боротьби проти інтерференційних свистів є раціональна конструкція радіоприймача, якість монтажу, правильність вибору режимів роботи, передусім перетворювача частоти, висока вибірність вхідного кола.

Усі каскади радіоприймача будуються з уже розглянутих вище елементів радіоелектронних пристроїв. Однак деякі з них мають особливості побудови, зумовлені діапазонністю радіоприймачів, уведенням в них сервісних схем автоматичного регулювання підсилення (АРП) i частоти гетеродина, цифрової індикації настроювання тощо.