Избирательность приемника

Этот параметр показывает, насколько хорошо приемник может отделить сигнал требуемой частоты от сигналов других частот. Измеряется в децибелах (дБ) относительно соседнего частотного канала либо зеркального канала (в гетеродинных приемниках).

Дело в том, что в эфире постоянно летят тысячи всевозможных электромагнитных колебаний: от радиостанций, телевизионныхпередатчиков, наших любимых «мобильных друзей», и т.д. и т.п. Различаются они лишь по мощности да по частоте. Правда, по мощности им отличаться не обязательно - это не есть критерий выбора. Настройка на любую радиостанцию, будь то телеканал «MTV » или база вашего домашнего радиотелефона, происходит именно по частоте. При этом, на приемнике лежит ответственность: выбрать из тысяч частот - ту одну, единственную и неповторимую, которую мы хотим принять. Если на близких частотах нет никаких признаков разумной жизни - хорошо. А если где- ни будь через пол мегагерца от нашей радиостанции, находится сигнал другой радиостанции? Это не очень хорошо. Вот тут то и понадобится хорошая избирательность приемника.

Избирательность приемника зависит, в основном, от добротности колебательных контуров.

 

Модуляция сигнала

Амплитудная модуляция. В радиовещании в длинно- и средневолновом диапазоне радиоволн широко используется амплитудная модуляция сигнала. На вход модулятора подаются опорный сигнал и передаваемый (модулирующий), а на выходе получаем с модулированный сигнал, положительная огибающая которого и есть исходный сигнал. Для корректного преобразования необходимо, чтобы несущая частота должна была быть, по крайней мере, в два раза выше, чем верхняя граница полосы модулирующего сигнала. Например, если мы с модулируем несущую частоту в 40 Гц гармоническим сигналом 4 Гц, то получим сигнал, спектр которого состоит из трех гармоник. Таким образом спектр модулированного сигнала симметричен, и для рационального использования передающего оборудования одну из боковых полос спектра передаваемого сигнала подавляют. При использовании разных частот опорного сигнала можно одновременно передавать несколько независимых сигналов, только необходимо соблюсти условие не пересечения полос с модулированных сигналов. Данный способ модуляции довольно прост в реализации, но зато менее устойчив к помехам, нежели другие методы, рассматриваемые ниже. Помехонеустойчивость объясняется относительно узкой полосой модулированного сигнала (всего в два раза шире, чем у исходного). Тем не менее это обстоятельство позволяет использовать амплитудную модуляцию в низко- и среднечастотных диапазонах электромагнитного спектра.

Частотная модуляция. При частотной модуляции модулирующий сигнал модулирует не мощность опорного сигнала, а его частоту. То есть, если уровень сигнала увеличивается, то частота растет, и наоборот.

Из-за этого спектр частотно-модулированного сигнала значительно шире исходного сигнала. Соответственно, частотная модуляция обладает высокой помехоустойчивостью, но для ее применения необходимо занимать высокочастотные диапазоны вещания.

Фазовая модуляция. При фазовой модуляции модулирующий сигнал модулирует фазу опорного сигнала. При модулировании цифровым (дискретным) сигналом получается сигнал с очень широким спектром, так как фаза резко поворачивается (двоичный сигнал— на 180 градусов). Поэтому фазовую модуляцию с успехом применяют для обеспечения помехозащищенной цифровой связи в микроволновых диапазонах.

 

Образование зеркального канала приема и необходимость его

Подавления

В отличие от транзисторных смесителей, для которых наиболее существенен лишь эффект прямого преобразования частоты, в диодных смесителях наблюдается так же эффект обратного преобразования. Действительно, напряжение промежуточной частоты w_n4=w_H-w_r, появившиеся на выходе смесителя в результате взаимодействия напряжений сигнала и гетеродина, снова взаимодействует с напряжением гетеродина, что приводит к образованию на входе смесителя напряжения с частотой сигнала w„ = w_n4+w_r. Таким образом, эффект обратного преобразования обусловлен наличием сильной обратной связи в диодном смесителе, так как он канализирует энергию в обоих направлениях, т.е. представляет собой взаимное устройство. Кроме того, в диодных смесителях существует эффект вторичного обратного преобразования частоты. При действии на выходе смесителя напряжения промежуточной частоты возможно появление на входе смесителя так называемой зеркальной частоты w₃=w_r-w_n4 (названной так из-за “зеркального” расположения по отношению к частоте сигнала относительно частоты гетеродина). Возникновение колебаний зеркальной частотывозможно также в случае взаимодействия между напряжением сигнала и второй гармоникой гетеродина так как w₃=2w_r-w_H. Обычно смеситель согласован со входом УПЧ, поэтому вся мощность на частоте w_пчпередается в УПЧ. Колебание зеркальной частоты, образовавшееся в процессе преобразования частоты сигнала, может распространяться во входные цепи приемника. Поэтому если на входе смесителя поместить соответствующие фильтры, то колебания зеркальной частоты будет отражаться обратно в смеситель для преобразования в колебания промежуточной частоты w_m=w_r- w₃. Если образованный таким образом ток промежуточной частоты находится в фазе с током основной промежуточной частоты w_n4=w_c-w_r, то получается дополнительная выходная мощность, т.е. увеличивается коэффициент передачи преобразователя. При сложении токов в противофазе могут, напротив, возникнуть дополнительные потери. Таким образом, взаимодействие между колебаниями сигнальной и зеркальной частоты оказывает существенное влияние на параметры диодного преобразователя частоты и работу приемника. Самые неприятные искажения сигнала на выходе возникают при наличии сильной помехи с промежуточной или зеркальной частотами на входе смесителя. Сигналы с такими частотами складываются в смесителе с полезным сигналом, и могут полностью нарушить работу приемника.

Самые неприятные искажения сигнала на выходе возникают при наличии сильной помехи с промежуточной или зеркальной частотами на входе смесителя. Сигналы с такими частотами складываются в смесителе сполезным сигналом, и могут полностью нарушить работу приемника.

Поэтому во всех супергетеродинных приемниках принимаются меры для подавления паразитных каналов приема.

 

Специальная часть

2.1. Заданы параметры ВЧ тракта:

• шумовая температура антенны - Т_А;

• сопротивление антенны - Ra;

I

• потери в кабеле - Lкаб;

• потери во входном устройстве - Lву;

• коэффициент передачи мощности УРЧ - К_РУРЧ;

• коэффициент шума УРЧ - К_{Р УРЧ};

• коэффициент передачи мощности ПрЧ - К_РПРЧ;

• коэффициент шума ПрЧ - К_шпрч;

• потери в ФСИ - L_ф;

• полоса пропускания ФСИ по уровню 3 дБ - А F _ф;

• коэффициент шума УПЧ - К_ш упч;

• требуемое отношение сигнал-шум на входе детектора - q₀.

•

2.2. Требования:

• определить:

• шумовую температуру приемника;

• коэффициент шума приемника;

• чувствительность приемника в единицах мощности (Вт и дБм);

• чувствительность приемника в единицах напряжения (микровольтах);

• дать оценку структуры с точки зрения необходимости и возможности снижения шумов и улучшения чувствительности; предложить способы повышения чувствительности приемника, подтвердив их соответствующими расчетами.

 

Указания к решению.

Одним из способов задания чувствительности, как способности приемника принимать слабые сигналы, является задание значения Р_Ао - мощности сигнала на согласованном с R_A входе приемника (R_A = Rвх ) при котором обеспечивается заданное отношение сигнал-шум на входе детектора qo. При линейном ВЧ тракте q₀ определяет превышение мощности сигнала Раонад мощностью шумов приемной установки:

где [2. Стр. 24]

РшΣ =Рш А+Рш _ПР,

Рш а- мощность наведенных и собственных шумов антенны,

Рш пр- мощность собственных шумов всех блоков приемника, пересчитанных к антенному входу, как показано на рис. 2.

Рис. 2

Рис. 2

Все узлы приемной установки генерируют случайные флуктуации, называемые шумами. Причины их возникновения разнообразны. Активные сопротивления генерируют тепловой шум с нулевым средним значением мгновенного напряжения. Средний квадрат напряжения теплового шума в радиодиапазоне рассчитывают по формуле Найквиста

где [3.Стр. 13]

к=1,38 • 10 ' Дж/К - постоянная Больцмана,

Т - температура, при которой находится шумящее сопротивление, в градусах Кельвина,

∆f - полоса частот, Гц; предполагается, что в полосе □ f спектральная плотность шума постоянна.

При решении задачи будем полагать, что на стыках всех блоков обеспечено согласование, т. е. сопротивление генератора равно сопротивлению нагрузки. При этих условиях мощность шума, отдаваемая в нагрузку,

(1), [ 2. Стр. 25]

Спектральная плотность мощности шума

(2), [1.Стр. 31]

Генерируемый шум имеет равномерную по оси частот спектральную плотность, однако на выход приемника компоненты спектра, имеющие разные частоты, проходят с разными коэффициентами передачи. В результате спектральная плотность шума на выходе ВЧ тракта приемника имеет вид, повторяющий квадрат его резонансной характеристики (рис. 3).

 

Рис. 3

 

Полная мощность шума на выходе приемника определяется площадью подынтегральной кривой. Для удобства расчетов сложную характеристику рис. 3 заменяют прямоугольной с той же площадью. Полосу пропускания равновеликой прямоугольной характеристики называют эффективной шумовой полосой

 

(3), [1.Стр. 23]

 

где ∆ (f) - нормированная резонансная характеристика ВЧ тракта.

Очевидно, что для прямоугольной резонансной характеристики ∆Fэф⁼∆F. Характеристика избирательности анализируемого приемника такова, что ФСИ на выходе преобразователя частоты определяет значение ∆Fэф. Так как характеристика избирательности этого фильтра близка к прямоугольной, при расчетах можно принять

(3), [1. Стр. 23]

На практике для описания шумовых свойств приемника и его узлов широко используют коэффициент шума и шумовую температуру. Эти параметры характеризуют любой линейный шумящий четырехполюсник.

Коэффициент шума (К ш)определяют, как отношение полной мощности шума в нагрузке четырехполюсника к мощности шума в нагрузке при не шумящем четырехполюснике, т. е. той доле шумовой мощности, которая создается шумящим «по Найквисту» активным сопротивлением генератора (R г), находящимся при нормальной (комнатной) температуре Т₀

(5), [3. Стр. 16]

 

Так как четырехполюсник является линейным, шумовые мощности можно пересчитать к его входу. С учетом (1) и (3) перепишем (5) как

(6), [3. Стр. 16]

 

Р_{ш чп}, входящая в выражения (5) и (6), образуется различными источниками шума, в том числе и шумящими не "по Найквисту". Несмотря на это для характеристики шумовых свойств четырехполюсника используют понятие шумовой температуры четырехполюсника (Т_чп),которую определяют, приравнивая реальную шумовую мощность Р_{ш чп}к мощности теплового шума активного сопротивления, находящегося при температуре Т_чп^:

Отсюда следует, что

(8), [4. Стр. 43]

 

Обратите внимание, что Т_чп - есть условная величина, не равная той температуре, при которой находится четырехполюсник. Подставив (7) в (6), получим еще одно выражение для коэффициента шума любого шумящего четырехполюсника

(9),[3.Стр. 14]

 

где Т _чп и Т _о выражают в градусах по шкале Кельвина. Значение Т ₀ принимают равным 293 К (20°С). Для упрощения расчетов допустимопринять Т _о =300 К.

Из выражения (9) можно получить Т _чп, если известен К ш:

 

(10), [4.Стр. 42]

 

Коэффициент шума идеального не шумящего четырехполюсника равен единице. У реального устройства всегда К ш > 1 • Во многих случаях значение К _ш задают в децибелах (дБ)

(11), [3. Стр. 16]

Наиболее распространенные высокочастотные транзисторы имеют К_ш = 3 - 10 дБ. Современные технологии, однако, позволяют обеспечить значения К_ш<1дБ.

В приемной антенне наводятся флуктуационные напряжения из окружающего пространства. Основными источниками внешних по отношению к приемнику шумов являются космические и атмосферные шумы. Их интенсивность существенно зависит от диапазона частот, а в случае остронаправленных антенн, и от ориентации антенны. Мощность наведенного в антенне шума существенно отличается от мощности теплового шума сопротивления антенны. Р _ША также характеризуют шумовой температурой, аналогичной Т _ЧП :

(12),[4. Стр. 43]

 

Значения Т _Амогут составлять от 20 – 30 К (на частотах выше 1 ГГц при углах возвышения остронаправленных антенн более 10) до 5000 -10000 К (в диапазоне коротких волн).

Приемное устройство состоит из отдельных узлов - каскадно соединенных четырехполюсников (см. рис. 1). При известных значениях Т _f (К _ш О и коэффициентах передачи мощности (К _Pj) каждого из блоков можно рассчитать общую шумовую температуру и общий коэффициент шума приемника по следующим выражениям:

(13),[4. Стр. 44]

 

(14), [3. Стр. 19]

 

Коэффициент шума пассивного четырехполюсника (кабеля, входного устройства, фильтра) однозначно определяется его затуханием

(15), [3. Стр. 18]

 

Из выражений (13) - (15) следуют важные выводы:

• Значения Т_ОБЩ иК_{Ш_ОБЩ}каскадного соединения четырехполюсников зависят в первую очередь от шумов первых каскадов.

• На входе желательно иметь каскад с минимально возможной шумовой температурой (коэффициентом шума) и максимальным коэффициентом передачи.

• Вклад шумов последующих каскадов тем меньше, чем выше коэффициент передачи предшествующего тракта.

• Наличие на входе устройств с потерями приводит к резкому возрастанию шумов, в первую очередь, из-за увеличения вклада шумов последующего тракта.

 

В соответствии с рис. 1 первым каскадом является кабель, вторым - ВУ, третьим - УРЧ, четвертым - ПрЧ, пятым - ФСИ, шестым - УПЧ. Обратите внимание, что подставляемые в выражения (13) - (15) величины должны быть предварительно переведены из децибел в разы.

Приведенных сведений достаточно для определения при заданных параметрах ВЧ тракта шумовой температуры (Т пр) и коэффициента шума (К шпр) приемника. Далее следует найти значения Р_Ша, РшпрйРшо, после чего рассчитать чувствительность приемника по мощности, выразив ее в абсолютных единицах мощности:

и относительных единицах (децибелах относительно 1 мВт):

Затем следует рассчитать чувствительность по задающему напряжению в антенне:

В заключение следует дать оценку приемника с точки зрения необходимости и возможности снижения шумов. Для этого, во-первых, следует сравнить рассчитанное значение Тпр с шумовой температурой антенны. Если Тпр < (0.3 - 0.6) Т а, то снижение шумов приемника бесполезно. В противном случае необходимо рассмотреть возможность уменьшения Т_ПР. Для этого следует сравнить значение Тпр с шумовой температурой УРЧ Т _УРЧ (либо К_{ш пр}и К_{Ш УРЧ}). Если Т _ПР превышает Т _УРЧ не более чем на 30 - 50%, то снизить шумы приемника можно только уменьшив Т _УРЧ, например использовав в УРЧ малошумящие активные приборы. Если же Т _ПР> 1.5 Т_УРЧ, то следует проанализировать вклад каждого из слагаемых выражений (13), (14). Основные рекомендации по снижению шумов в этом случае следующие.

1. Если увеличение шумов приемника по сравнению с шумами УРЧ обусловлено высокими потерями в кабеле, то следует переместить ВУ и УРЧ непосредственно к антенне, а кабель включить между УРЧ и ПрЧ. Так поступают в приемниках спутниковой связи и вещания.

2. Если высок удельный вес шумов ПрЧ, тоследует увеличитькоэффициент передачи УРЧ до К _РУРЧ = 20 - 25 дБ. Однако при значительном увеличении Курч снижается устойчивость УРЧ и ухудшается многосигнальная избирательность приемника.

3. Если высок удельный вес шумов УПЧ, то следует увеличить коэффициент передачи ПрЧ или (и) УРЧ. Например, использовать вместо ПрЧ с потерями (диодный ПрЧ с К_РПРЧ< 0 дБ) транзисторный ПрЧ с К_РПРЧ = 5-8 дБ. Также может быть рекомендовано увеличениеК _{Р У}

3. Конструктивная часть

3.1. Исходные данные

Итак, производим расчет.

Задана структурная схема супергетеродинного приемника с параметрами уз­лов:

Антенна: Т_А = 35 К, R_A = 50 Ом Кабель: Ькаб= 0.7 дБ ВУ: L_By= 1.3 дБ

УРЧ: Крурч⁼ 12 дБ; Кщурч~ 1.5 дБ ПрЧ: Кр прч ⁼ 3 дБ; Кщ прч ⁼ 5 дБ

ФСИ: Ь_ф = 2 дБ; А¥_ф = 14000 кГц

УПЧ: Кщ упч ⁼ 18 дБ

Требуемое отношение C/III: q₀ = 12 дБ

1). Переводим исходные данные, заданные в децибелах, в разы с помощью известного соотношения

Х(ДБ)

Х(раз)=10 ¹⁰

Тогда:

Ькаб=Ю^^Л0=1Л7;

Lay — 10 ^13/10 = 1.35;

Крурч⁼ 10 ^12/10 = 15.8; Кщурч⁼ 1 = 1,41;

К_Р прч ⁼ Ю ^3/10 = 2; К_ШПрч= 10 ^5/10 = 3.16;

Ь_ф=10^то= 1.6;

Кшупч=Ю^18/Ш^63; qo — 10 ^12/10 =16.

2). Определяем, согласно (15), значения коэффициентов передачи и коэффи­циентов шума пассивных узлов (кабеля, ВУ, ФСИ):

Далее задача может быть решена.

 

Решение задачи

3). Вычисляем, согласно (10), значения шумовой температуры каждого кас­ када приемника

4. Основываясь на (13), рассчитываем шумовую температуру приемника вцелом. При этом обязательно фиксируем удельный вклад каждого каскада (16)

 

=123.52 + 198.38 + 60.18 + 9.05 + 1560.40 + 51 = 2002.09 К.

 

Выделенные значения характеризуют вклад каждого каскада в общую шумо­вую температуру приемника. Они понадобятся на этапе анализа возможности снижения шумов.

5. Находим, используя (9), коэффициент шума приемника

6. Определяем суммарную шумовую температуру приемника и приемной антенны.

7. Вычисляем суммарную шумовую мощность на входе приемника, полагая, что DF_эф>» DF_ф = 10 кГц,

8. Рассчитываем искомое значение чувствительности приемника

Вычисляем значение чувствительности в децибелах относительно 1 мВт

 

и в единицах напряжения