Структурные схемы радиоприёмников

Общие сведения о радиоприёме и радиоприёмных устройствах.

Техническую систему, в которой основные операции выполняются радиоэлектронными средствами, называют радиосистемой. Составными частями радиосистемы являются радиопередающие, радиоприёмные, антенно-фидерные (что такое фидер?), электронно-вычислительные и другие устройства. Мы в данном курсе будем рассматривать только радиоприёмные устройства различных видов.

Радиоприёмным устройством называют систему узлов и блоков, с помощью которых производятся следующие операции:

1) преобразование электромагнитного поля сигнала (и помех) в электрический сигнал и обеспечение пространственной и поляризационной избирательности полезного радиосигнала с помощью приёмной антенны;

2) выделение полезных радиосигналов из совокупности других (мешающих) сигналов и помех, действующих на выходе приёмной антенны и не совпадающих по частоте и не совпадающих по частоте с полезным сигналом. Эта операция называется фильтрацией по частоте и осуществляется частотно избирательными устройствами;

3) Усиление принимаемых сигналов с целью обеспечения качественной работы других блоков в составе РПрУ (демодулятор, декодер, схем защиты от помех и т.д.);

4) Демодуляция принятого сигнала, то есть выделение информации (модулирующей функции), содержащейся в полезном сигнале;

5) Обработка принимаемых сигналов с целью ослабления мешающего воздействия помех искусственного и естественного происхождения. Подобная операция предусматривает введение в приёмник средств помехозащиты и эффективную обработку сигнала и помех, при которой достигается наилучшее обнаружение сигнала или оценка принятой информации (сообщения) по какому-либо критерию оптимальности приёмника в соответствии с целевым содержанием решаемой задачи.

6) Преобразование принятого информационного сигнала в какое-либо физическое действие (звук, изображение, показания приборов, разовая команда и т.д.).

Таким образом, основной задачей РпРУ является преобразование электромагнитной волны в некоторое физическое воздействие в соответствии с информационным сообщением, заложенным в этой волне.

Радиоприёмник, являясь частью радиоприёмного устройства, обеспечивает преобразование высокочастотного сигнала с антенны в сигнал, необходимый для работы оконечного устройства (динамика, кинескопа, ЭЛТ и т.д.).

Структурные схемы радиоприёмников

1. Приёмник прямого усиления

В приёмнике, построенном по такой схеме, происходит усиление, селектирование (частотная фильтрация) и демодуляция сигнала радиочастоты.

ВЦ – входная цепь. Её назначение – согласование выхода с МШУ или УРЧ для получения максимальной мощности сигнала из антенны, а так же обеспечения максимально большей фильтрации сигнала от помех и шумов до входа УРЧ.

МШУ – малошумящий усилитель. Используется по необходимости, предназначен для снижения уровня собственных шумов приёмника. Определяет чувствительность приёмника.

УРЧ – усилитель радиочастоты. Обеспечивает основное усиление и фильтрацию сигнала по частоте от помех. Его выходное напряжение должно быть достаточным, для работы демодулятора.

Д – демодулятор. Выделяет из сигнала радиочастоты информационную составляющую.

УНЧ – усиливает информационный сигнал до уровня, необходимого для работы оконечного устройства (ОУ).

Приёмники прямого усиления обладают низкими показателями чувствительности и избирательности (т.е. не способны принимать слабые сигналы или различать их на фоне сильных помех с близкими частотами). Настройка на полезный сигнал осуществляется перестройкой по частоте ВЦ, МШУ и УРЧ. Синхронная перестройка таких блоков является непростой задачей. К тому же построение узкополосного усилителя на высоких частотах так же весьма затруднительно, так как очень трудно обеспечить высокую добротность нагруженных контуров (10кГц/30МГц).

Регенеративные приёмники - это приёмники прямого усиления, при наличии глубокой ПОС. Повышается чувствительность, селективность, характеризуются сильными искажениями.

Для устранения этих недостатков используется принцип понижения частоты входного сигнала.

2. Супергетеродинный приёмник

ПЧ – преобразователь частоты.

Г – гетеродин – маломощный генератор электрических колебаний.

См. – смеситель. Устройство, осуществляющие перемножение напряжений гетеродина и сигнала от УРЧ.

Частотно-избирательные блоки, обладающие высоким коэффициентом усиления, расположенные за смесителем называют усилителем промежуточной частоты (УПЧ). При достаточно высоких усилительных и избирательных свойствах УПЧ и при хороших шумовых свойствах ПЧ, могут отсутствовать МШУ и УРЧ.

В преобразователе частоты происходит изменение (как правило понижение) частоты входного сигнала, до величины удобной для обработки и усиления (10кГц/465кГц). Промежуточная частота всегда фиксирована и УПЧ не требует перестройки по частоте при перестройке приёмника. Перестройка осуществляется изменением частоты колебаний гетеродина. То есть отпадает необходимость в громоздкой синхронной перестройке усилителя ВЧ. К тому же на меньших частотах легче обеспечить стабильность тракта с точки зрения самовозбуждения. Так же положительную роль играет в этом смысле разнос частот внутри тракта. Упрощается АРУ (пояснить что и зачем).

Преобразование частоты.

Произведение сигналов можно записать как:

таким образом, в выходном сигнале смесителя присутствуют сигналы суммарной и разностной частот. Обычно используется разностная частота. Т.е. осуществляется перенос спектра сигнала в область меньших частот с сохранением закона модуляции. Таким образом, перестройка частоты приёмника по частоте осуществляется за счёт перестройки частоты гетеродина.

При использовании разностной частоты, промежуточная частота рассчитывается как f_П=f_C-f_Г, или f_П=f_Г-f_C. В первом случае это называется преобразование вниз, во втором – преобразование вверх (с инверсией спектра, т.е. верхние частоты стали нижними).

При использовании суммарной частоты (т. е. при переносе частоты сигнала в верх) приёмник называется инфрадином (инфрадинным приёмником). Правда потом частоту сигнала приходится понижать в другом преобразователе. Инфрадин является приёмником с многократным преобразованием частоты. Иногда многократное преобразование частоты применяется и в приёмниках с разностным преобразованием. Это сделано с целью избавления от побочных каналов приёма. Откуда они происходят?

Смеситель далеко не всегда является идеальным перемножителем, как правило, это просто нелинейный элемент, или элемент с переменным параметром. По этому на выходе смесителя присутствуют комбинационные составляющие с частотами:

f=|nf_Г±mf_С| (n, m – целые числа) в перспективе расписать через ряды

То есть на выходе смесителя присутствуют не только разностные и суммарные частоты, но и собственно частоты сигнала, гетеродина, комбинационные составляющие высших гармоник, которые и создают так называемые побочные каналы приёма.

Побочные каналы приёма:

Прямой канал приёма образуется помехой на частоте, равной промежуточной. Его можно подавить, увеличив частотную избирательность каскадов, предшествующих ПЧ.

Зеркальный канал приёма образуется внешним помеховым сигналом на частоте

f_З= f_Г+f_П =f_C+2f_П

Если эта частота входит в полосу пропускания ВЦ, МШУ и УРЧ, то в ПЧ образуется частота f_П=|f_Г-f_З|, т.е. такая же частота, как и f_П=f_Г-f_C. Следовательно, происходит наложение спектра полезного сигнала и спектра помехи, то есть частотная фильтрация помехи от сигнала становиться невозможной. Ослабить помеху по зеркальному каналу можно, увеличив частотную избирательность каскадов, предшествующих ПЧ.

Комбинационный канал приёма образуется в результате взаимодействия комбинационных частот гетеродина и сигнала

f_КОМ=|nf_Г-mf_C|, где ( n, m > 1 )

Эти частоты оказываются близкими к f_П , и как правило входят в полосу пропускания ВЦ и УРЧ. Усиливаясь так же, как и полезный сигнал они попадают далее на демодулятор и оконечное устройство.

Основной мерой устранения комбинационного канала приёма является снижение уровня гармоник полезного сигнала и сигнала гетеродина, путём выбора соответствующего режима работы смесителя. Повышение его идеальности, как перемножителя сигналов.

Интермодуляционный канал приёма возникает при прохождении через ВЦ и УРЧ двух и более помех на частотах f₁,f₂, …, f_n, которые в смесителе образуют сигналы с комбинационными частотами n₁f₁±n₂f₂±…±n_nf_n (n₁, n₂, …, n_n – целые числа). Если какая-либо из комбинационных частот попадёт в полосу пропускания УПЧ, то создаётся интермодуляционный канал приёма. Для ослабления этих каналов приёма необходимо уменьшать усиление и увеличивать селективность УРЧ и МШУ.

В настоящее время в радиотехнических системах используются преимущественно супергетеродинные приёмники, несмотря на их основной недостаток – наличие побочных каналов приёма. Их чувствительность и селективность оказываются выше, чем у приёмников прямого усиления.