Основные типы структурных схем радиоприемных устройств

1.

Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота
Кафедра СРТС
Прием и обработка сигналов
Лекция №1
Основные типы структурных схем
радиоприемных устройств

2.

Изучение дисциплины «Прием и обработка сигналов» ведется в рамках
специальности
«Техническая
эксплуатация
транспортного
радиооборудования» на 3 и 4-ом курсах. Виды контроля: зачет в 6-ом
семестре и экзамен в 7-ом семестре.
Виды занятий: лекции, лабораторные работы, практические занятия,
курсовой проект в 7-ом семестре.
Цель освоения дисциплины – специализация морских радиоинженеров в
области технических средств приема и обработки сигналов, подготовка
курсантов к освоению профилирующих дисциплин.
Задачи:
1. Изучение теории радиоприема и обработки сигналов.
2. Ознакомление с устройствами приема и обработки сигналов.
3. Приобретение навыков эксплуатации УПиОС, используемых в
транспортном радиооборудовании, радиоизмерений основных
характеристик радиоприемников, эскизного проектирования
УПиОС.

3.

Основная литература:
1. Кологривов А.Г. Прием и обработка сигналов. Учебное пособие.
Издательство БГАРФ, 2011.
2. Кологривов А.Г. Устройства приема и обработки сигналов
(УПиОС): задание на курсовой проект и методические указания
по его выполнению. Учебное пособие. Издательство БГАРФ,
2008.
3. Кологривов А.Г. Прием и обработка сигналов. Методические
указания по проведению практических занятий для
курсантов/студентов специальности 201300. Учебное пособие.
Издательство БГАРФ, 2008.
4. Грошев Г.А. УКВ радиоустановка ГМССБ типа FM-8500
фирмы FURUNO(Япония). Учебное пособие. Издательство
БГАРФ, 2005.

4.

1. Назначение, состав РПУ
Рисунок 1 – Обобщенная схема системы связи
Радиоприемное устройство (РПУ) как элемент системы связи
содержит антенно-фидерное устройство (АФУ), собственно
радиоприемник и оконечное устройство.
Рисунок 2 – Обобщенная схема РПУ

5.

Антенно-фидерное устройство преобразует энергию
электромагнитных волн в энергию электрических колебаний
(антенна) и подводит электрический высокочастотный сигнал
ко входу приемника (фидерная линия).
Радиоприемник выделяет из подведенных ко входу
приемника полезные сигналы, усиливает их и преобразует к
виду необходимому для приведения в действие оконечного
устройства.
Оконечное устройство служит для обработки,
регистрации, воспроизведения сообщения в требуемой форме:
визуальной, звуковой, в виде печатного текста, сигналов
управления и т .д.
Иногда с целью повышения качества и надежности
приема в состав РПУ может входить несколько АФУ и
приемников.

6.

Рисунок 3 – Структурная схема РПУ

7.

Радиоприемное устройство – совокупность радиотехнических
узлов и блоков, выполняющих следующие функции:
1. Преобразование
электромагнитной
энергии
в
энергию
электрических колебаний, обеспечение пространственной и
поляризационной избирательности посредством АФУ.
2. Выделение полезного сигнала из совокупности помеховых сигналов,
несовпадающих
с ним по частоте и шумов посредством
избирательной цепи (ИЦ).
3. Усиление выделенных радиосигналов посредством усилителя
радиочастоты (УРЧ).
4. Преобразование радиосигналов в низкочастотный электрический
сигнал посредством детектора(Д).
5. Преобразование продетектированного сигнала в сообщение и
воспроизведение информации посредством оконечного устройства
(ОУ).

8.

2. Классификация РПУ
1. По
назначению:
профессиональные
(радиосвязные,
радиолокационные, радионавигационные и т.п.) и вещательные.
2. По схеме построения: детекторные приемники, приемники
прямого
усиления,
супергетеродинные,
регенеративные,
суперрегенеративные.
3. По виду принимаемых сигналов: приемники аналоговых,
дискретных сигналов и универсальные.
4. По виду модуляции (манипуляции) принимаемых сигналов:
приемники
амплитудно-модулированных,
частотномодулированных,
фазомодулированных,
однополосных
и
импульсно-модулированных сигналов.
5. По роду работы: радиотелефонные, радиотелеграфные,
фототелеграфные и т.п.
6. По
способу
перестройки:
плавные,
дискретные
и
комбинированные.
7. По месту установки: стационарные, возимые и переносимые.

9.

8. По системе питания: сетевые, аккумуляторные или батарейные и
универсальные.
9. По диапазонам частот согласно таблице .
• VLF, очень низкие частоты, 3 кГц – 30 кГц, длины волн от 100 км до 10 км
(декакилометровые волны).
• LF, низкие частоты, 30 кГц – 300 кГц, длины волн от 10 км до 1 км (длинные
волны/километровые волны).
• MF, средние частоты, 300 кГц – 3000 кГц, длины волн от 1 км до 100 м (средние
волны/гектометровые волны).
• HF, высокие частоты, 3 МГц – 30 МГц, длины волн от 100 м до 10 м (короткие
волны/декаметровые волны).
• VHF, очень высокие частоты, 30 МГц – 300 МГц, длины волн от 10 м до 1 м
(ультракороткие волны/метровые волны).
• UHF, крайне высокие частоты, 300 МГц – 3000 МГц, длины волн от 1 м до 10
см (дециметровые волны).
• SHF, сверхвысокие частоты, 3 ГГц – 30 ГГц, длины волн от 10 см до 1 см
(сантиметровые волны).
• EHF, чрезвычайно высокие частоты, 30 ГГц – 300 ГГц, длины волн от 1 см до 1
мм (миллиметровые волны).
• HHF, гипервысокие частоты, 300 ГГц- 3000 ГГц, длины волн от 1 мм до 0,1 мм
(децимиллиметровые волны).

10.

3. Функции радиоприемных устройств, основные
типы структурных схем
Основные функции РПУ:
1-ая функция РПУ: выделение, фильтрация полезного
сигнала и подавление помех в принятой аддитивной смеси
полезного сигнала и шумов.
2-ая функция РПУ:
детектирование - извлечение
информации из выделенного радиосигнала и его преобразование
в первичный сигнал.
3-я функция РПУ:
требуемого уровня.
усиление
принятого сигнала до

11.

Приемник, выполняющий фильтрацию полезного сигнала и
детектирование называется детекторным и имеет структурную и
принципиальную схему, приведенную на рисунке 4.
Рисунок 4 – Структурная и принципиальная схемы детекторного приемника
Преимущества: простота схемы, легкость и стабильность настройки,
отсутствие побочных каналов приема и источников питания.
Недостатки: слабая избирательность, низкая чувствительность,
искажения сигнала, зависимость избирательности и чувствительности от
частоты. Слабые сигналы на входе детектора вызывают существенные
искажения сигнала на его выходе, т.к. детектор работает в нелинейном
режиме. Слабые сигналы необходимо усилить до определенного уровня!

12.

Приемник прямого усиления осуществляет фильтрацию, усиление и
детектирование.
Рисунок 5 – Структурная схема приемника прямого усиления
Усиление может осуществляться как на высокой частоте (до
детектора) так и на низкой частоте (после детектора). Усиление на ВЧ
выполняют усилители с резонансной нагрузкой, которые дополнительно
фильтруют принятую смесь полезного сигнала и шума. Уровень
принимаемых сигналов может быть различным, а уровень сигнала на
входе детектора должен быть постоянным, поэтому в таких приемниках
вводят регулировку усиления.

13.

Достоинства: простота схемы, легкость и стабильность настройки,
отсутствие побочных
каналов приема и отсутствие различных
вспомогательных генераторов.
Недостатки: недостаточная избирательность, низкая чувствительность,
искажения сигналов, неравномерность чувствительности в ДРЧ,
неравномерность избирательности по частоте.
Чувствительность – мера способности РПУ принимать слабые сигналы и
воспроизводить их на своем выходе с заданным качеством.
Избирательность – мера способности РПУ выделить полезный сигнал из
спектра колебаний, поступающих на его вход.
Рассмотрим недостатки приемника прямого усиления.
1. Низкая избирательность по частоте. Основная избирательность
осуществляется входным устройством (одиночный колебательный контур с
перестраиваемой частотой) и УВЧ (перестраиваемый резонансный
усилитель с нагрузкой в виде одиночного, реже системы связанных
колебательных контуров). Фильтры ВЧ имеют широкую полосу
пропускания и пологие скаты АЧХ, тогда помехи, лежащие за пределами
полосы пропускания возле основного канала, слабо подавляются.

14.

2. Неравномерность избирательности по частоте. Известно,
что полоса пропускания одиночного контура определена
f0
выражением вида:
2 f
Qэ
ВЫВОД: Тогда изменение частоты настройки контура при
постоянной эквивалентной добротности ведет к изменению
ширины
полосы
пропускания
и
неравномерности
избирательности в ДРЧ.
3. Низкая чувствительность. На высоких частотах
коэффициент устойчивого усиления каскада УВЧ определен
выражением вида: К 0 ,31..0 ,57 Y21 ,
уст
Cкб f 0
где Y21 - крутизна характеристики усилителя;
Cкб - емкость перехода коллектор-база ЭП.
ВЫВОД: Тогда для реализации большого коэффициента усиления
необходимо использовать большое количество каскадов УВЧ.

15.

4. Неравномерность чувствительности в ДРЧ.
Коэффициент усиления каскада УВЧ может быть рассчитан
по выражению:
1
К ус Rэ S э Q S
0C
Q S
ВЫВОД: Тогда при перестройке частоты приемника
изменяется эквивалентное сопротивление нагрузки и
коэффициент усиления каскада УВЧ.
5. Возможность появления больших нелинейных искажений в
случае малого усиления до детектора вследствие работы
последнего в нелинейном режиме.
Данных недостатков можно избежать, если основное усиление
и фильтрацию сигнала осуществлять на некоторой постоянной и
более низкой частоте.

16.

Приемники, в которых происходит преобразование высокой
принимаемой частоты в более низкую промежуточную частоту с
последующими усилением и основной фильтрацией называют
приемниками супергетеродинного типа .
Рисунок 6 – Структурная схема приемника супергетеродинного типа

17.

Преобразователь частоты состоит из смесителя (нелинейного
элемента) и гетеродина (местного генератора частоты ). На один вход
смесителя подается напряжение сигнала
с выхода тракта
принимаемой частоты, а на второй вход – гармоническое напряжение
с выхода гетеродина. Из РТЦ и С известно, что ток нелинейного
элемента преобразователя частоты содержит ряд гармоник вида:
f n f c m f гет , где n,m 0, 1, 2,...
Избирательная система, включенная в нагрузке преобразователя,
выделяет одну составляющую из спектра тока с промежуточной
частотой вида:
f пч f c f гет ; f пч f гет f c
Для образования ПЧ обычно используют разностное
преобразование. Если частота гетеродина выше частоты полезного
сигнала, то говорят о верхней настройке гетеродина, если наоборот –
то о нижней.

18.

Чтобы промежуточная частота оставалась постоянной при
перестройке приемника необходимо выполнить сопряжение
настройки (рисунок 7), т.е. обеспечить постоянную разность
резонансной частоты преселектора и частоты гетеродина, равную
промежуточной частоте во всем ДРЧ: f 0 f гет f пч
Рисунок 7 – Сопряжение настройки контуров входного устройства и
гетеродина

19.

Достоинства приемника супергетеродинного типа:
1. Высокая и постоянная избирательность во всем ДРЧ за счет
использования на низкой промежуточной частоте сложных
избирательных систем (фильтров сосредоточенной селекции (ФСС),
кварцевых, электронно-механических и т.д. фильтров) с высокой
добротностью. Имеем узкие и неизменные по ширине полосы
пропускания:
f пч
2 f пч
Q
2. Высокая и равномерная чувствительность в ДРЧ за счет усиления в
тракте ПЧ, где устойчивый коэффициент усиления определен как
К уст 0 ,31..0 ,57
Y21
,
Cкб f пч
За счет этого уменьшается число усилительных каскадов.
3. Небольшие нелинейные искажения продетектированного сигнала за
счет работы детектора в линейном режиме.

20.

Основные недостатки схемотехнического построения приемника
супергетеродинного типа:
1. Нестабильность настройки. Отклонение частоты гетеродина от
номинального значения приведет к отклонению фактического значения
промежуточной частоты от номинальной. На номинальную частоту ПЧ
настроены фильтры в тракте ПЧ, следовательно помехоустойчивость
приема ухудшится.
Рисунок 7 – Влияние нестабильности частоты гетеродина на стабильность
настройки приемника
Устранение недостатка: использование способов параметрической и
кварцевой стабилизации частоты гетеродина, схемы обеспечения
постоянства ПЧ.

21.

2. Переизлучение колебаний гетеродина в антенну (просачивание
напряжения гетродина в антенну с последующим переизлучением).
3. Сложность сопряжения перестройки каскадов преселектора и
гетеродина. Коэффициент перекрытия входного устройства
преселектора отличается от данного параметра контура гетеродина:
Кпер f max / f min
Устранение недостатка: специальные формы пластин конденсаторов
переменной емкости; способ равных углов поворота роторов
конденсатора; дополнительные конденсаторы для уменьшения
коэффициента перекрытия.
4. Относительная сложность схемы.
5. Наличие побочных каналов приема. Приемник гетеродинного типа
помимо основного канала приема может принимать сигналы,
отличающиеся от частоты настройки приемника.
Побочные каналы приема – области частот, в которых помеховые
сигналы при взаимодействии с сигналом гетеродина преобразуются в
сигнал ПЧ и усиливаются наряду с полезным сигналом.

22.

Промежуточная частота может быть получена за счет основного
преобразования, а также за счет преобразования помехи, частота
которой удовлетворяет условию вида:
f пч k f пом l f гет , k ,l 0, 1, 2...
Наиболее опасные виды побочных каналов приема – зеркальный канал
и канал приема по промежуточной частоте.
Зеркальный канал – побочный канал приема с частотой равной:
f зк f c 2 f пч , f гет f c ; f зк f c 2 f пч , f гет f c .
Рисунок 8

23.

Вывод: Частота зеркального канала отличается от частоты
гетеродина на величину промежуточной частоты, тогда при
поступлении помехи на вход преобразователя на его выходе появляется
сигнал с ПЧ за счет смешивания помехи с частотой гетеродина.
Следовательно, подавление данной помехи должно происходить до
преобразования в тракте принимаемой частоты.
Канал приема по ПЧ – побочное преобразование при к=1 и l=0, тогда
f пом f пч
Рисунок 9
Вывод: Подавление данной помехи также должно происходить в тракте
принимаемой частоты.

24.

Существуют также побочные каналы приема за счет преобразования
высших гармоник частот сигнала и гетеродина, помехи и гетеродина.
Вывод: ослабление помех по побочным каналам приема необходимо
проводить до тракта промежуточной частоты в преселекторе, тогда
характеристика его избирательности должна быть более узкой.
Для повышения избирательности по соседнему и зеркальному
каналам используют приемники супергетеродинного типа с двойным
или тройным преобразованием частоты.
Если промежуточная частота выбирается выше максимальной
ДРЧ полезного сигнала, то такой приемник называется инфрадином.
Затем высокую ПЧ понижают в другом преобразователе частоты, т.е.
в инфрадине выполняется неоднократное преобразование частоты.
Преселектор выполняют неперестраиваемым и широкополосным, при
этом входные цепи (фильтры, УВЧ, смеситель) должны обладать
широким динамическим диапазоном и высокой линейностью.
Настройка на принимаемый сигнал осуществляется исключительно
путем перестройки частоты первого гетеродина.

25.

Выбирая верхнюю настройку гетеродина и разностное первое
преобразование частоты, частота первого зеркального канала
располагается значительно выше принимаемой полосы частот и
легко подавляется во входных цепях приемника.
Вывод: при инфрадинном приеме приемником супергетеродинного
типа применяется несколько преобразований частоты, выбирается
наддиапазонное преобразование 1 ПЧ, широкополосный преселектор
не перестраивается, высокочастотный тракт до 1 ПЧ выполняется
высоколинейным с целью повышения избирательности по
зеркальному и соседним каналам, предотвращения возникновение
нелинейных комбинационных помех.
Приемник прямого преобразования отличается тем, что
частота гетеродина выбирается равной частоте сигнала, тогда ПЧ
равна нулю и радиосигнал преобразуется в сигнал звуковой частоты
без переноса на промежуточную. Данные приемники получили
название синхродины, гомодины. Подавление помех и усиление
основного сигнала осуществляется на низкой частоте. Просты в
реализации.

26.

Рисунок 10 – Супергетеродинный приемник прямого преобразования
Входной сигнал через входной фильтр подается на УВЧ и далее на
первый вход преобразователя частоты, на второй вход которого
подан сигнал гетеродина с частотой, равной частоте полезного
сигнала. Частота ПЧ равна нулю и определена в виде:
f пч f c kf гет 0 f c kf гет

27.

Следовательно, побочные каналы приема в приемнике прямого
преобразования остаются лишь на частотах : 2 f гет ; 3 f гет ;... и легко
подавляются простейшей одноконтурной входной цепью. Далее после
преобразователя сигнал пропускается через ФНЧ и усиливается в
УНЧ.
Недостатки: при приеме АМ сигналов после преобразователя в
спектре выходного сигнала появляются звуковые сигналы от двух
боковых полос, которые различаются по частоте и искажают
принимаемый сигнал. Трудно реализовать преобразователь частоты
с низким коэффициентом шума, приемник больше подвержен
воздействию помех и наводок.

28.

Приемник регенеративного типа. В одном из каскадов РПУ
используется обратная связь для повышения чувствительности и
избирательности.
Рисунок 11 – Структурная схема приемника регенеративного типа и
влияние ПОС на добротность входного контура
Усиленные колебания с выхода ВЧ цепи подаются к цепям входа в
фазе с колебаниями, поступающими от антенны. Тогда во входном
устройстве появляется дополнительная энергия, эквивалентная
затуханию. ПОС повышает чувствительность приемника за счет
увеличения добротности избирательной системы. Если ПОС достигает
по величине критического значения, УВЧ превращается в генератор.

29.

Достоинство: высокая чувствительность.
Недостатки: значительные искажения сигнала, невысокая устойчивость,
слабая избирательность и собственное излучение в антенну.
Приемник суперрегенеративного типа. В данном РПУ используется
обратная связь, периодически изменяемая с некоторой частотой схемой
управления и становящаяся отрицательной в определенный интервал
периода. Этим достигается большая устойчивость работы каскада, т.к.
он работает не у порога генерации, а при принудительном изменении
режима генерации.
Рисунок 12 – Структурная схема приемника суперрегенеративного типа

30.

Достоинства: легкость и стабильность настройки, отсутствие
побочных каналов приема, стабильность работы, высокая
чувствительность.
Недостатки: искажения сигналов, зависимость чувствительности и
избирательности от частоты, значительное собственное излучение в
антенну.
Таким образом, сопоставляя достоинства и недостатки
различной архитектуры построения РПУ можно сделать вывод о
том, что в наибольшей степени удовлетворяет требованиям,
предъявляемым
к
профессиональным
приемникам
схема
супергетеродинного приемника с одним или несколькими
преобразованиями частоты.