Характеристики и параметры радиоприемников при многосигнальном воздействии.

В реальных условиях эксплуатации радиоприемных устройств на них могут воздействовать одновременно с полезным сигналом достаточно сильные мешающие излучения, влияние которых проявляется в виде:

- нелинейных эффектов блокирования - появлении помех, воздействующих на вход приемника на частотах, которые не совпадают с частотами основного и побочных каналов приема, происходит изменение уровня сигнала или изменение отношения сигнал/шум на выходе приемника. Воздействие мощной помехи на вход приемника приводит к снижению коэффициента усиления устройства

- перекрестных искажений - искажения спектра сигнала на выходе приемника при действии на входе модулированной помехи, частота которой не совпадает с частотами основного и побочного каналов приема.

- интермодуляционных искажений - явление возникновения на выходе приемника помех при действии на его входе двух или более помех, частоты которых не совпадают с частотами основного и побочных каналов приема.

При этом частоты мешающих сигналов могут иметь различные значения и не совпадать с частотами основного или побочного каналов приема. Такие каналы называются внеполосными.И в отличии от помех побочного канала, помехи вызывающие эффекты блокирования и перекрестной модуляции проявляют себя только в присутствии полезного сигнала.

Многосигнальная частотная избирательность характеризует способность приемника выделять полезный радиосигнал на фоне собственных шумов и мешающих радиосигналов, которые воздействуют на его входе. Влияние мешающих сигналов на характеристику частотной избирательности показана на рисунке 1, где I – характеристика односигнальной избирательности приемника при отсутствии или пренебрежимо малом уровне помехи (Рп1), кривые 2 и 3 – многосигнальные характеристики избирательности, полученные при действии интенсивных помех с уровнями Рп3<Рп2<Рп1. Из рисунка следует, что увеличение мощности помех приводит к ухудшению избирательных свойств приемника - расширению его полосы и уменьшению прямоугольности частотной характеристики:

Рисунок 1. Односигнальная и многосигнальные характеристики частотной избирательности приемника.

Эффект блокирования – уменьшение амплитуды полезного сигнала и соответствующее уменьшение отношения сигнал/шум на выходе приемника в результате действия на его входе мешающего сигнала с частотой, не совпадающей с частотой основного и побочного канала приема. Блокирование возникает в первых каскадах приемника (УВЧ и смесителе) из-за нелинейности вольт-амперной характеристики используемых активных элементов (диодов, транзисторов и т.д.)

В составе выходного тока нелинейного элемента имеются колебания с частотами fc, fп, 3fc, 3fп, 2fc + fп, 2fп + fc. На вход приемника проходит только колебание с частотой fc, т.к. все другие составляющие подавляются в процессе фильтрации ЦВЧ и УПЧ.

Амплитуда первой гармоники тока на частоте сигнала fc:

(1)

Где Ес – напряжение сигнала, Еп - напряжение помехи; , - крутизна ВАХ и ее производная в рабочей точке.

Уравнение (1) представляет амплитудную характеристику нелинейного элемента, характеризующую зависимость амплитуды первой гармоники частоты сигнала от действующих на входе напряжений сигнала и помехи (рис 2.):

Рисунок 2. Влияние эффекта блокирования: а) на амплитудную характеристику, б) на амплитуду сигнала

Выражение в скобках (1) является средней крутизной вольт-амперной характеристики активного элемента, которая зависит от амплитудного значения напряжения сигнала (Ес) и помехи (Еп). При сильной помехе

(Еп >> Ес) выражение (1) можно представить в виде:

(2)

где средняя крутизна зависит только от мощности помехи:

(3)

Отношение – параметр, характеризующий нелинейность используемого активного элемента, которая является причиной появления эффекта блокирования полезного сигнала. Из (2),(3) следует что при амплитудная характеристика линейна (1 на рис.2, а), ее крутизна максимальна (bср = bо) и амплитуда первой гармоники тока, равная ,не зависит от действия помехи (рис 2, б). При <0 амплитудная характеристика нелинейная (кривые 2 и 3 на рис 2, а), а средняя крутизна (bср<bо) и амплитудатока уменьшаются по мере увеличения мощности помехи. Следствиями эффекта блокирования полезного сигнала помехой являются уменьшение амплитуды выходного полезного сигнала приемника на ∆ (рис 2, б) и соответствующее уменьшение выходного отношения сигнал/шум.

Характеристика частотной избирательности по блокированию представляет зависимость амплитуды мешающего сигнала на входе приемника от его частоты при одновременном воздействии полезного сигнала и при заданной величине уменьшения амплитуды (и отношения с/ш) на выходе приемника. Влияние блокирующей помехи на характеристику избирательности приемника отражено на рис 1, откуда видно, что увеличение уровня мешающего сигнала приводит к ухудшению избирательных свойств приемника - расширению полосы пропускания и уменьшению коэффициента прямоугольности частотной характеристики.

Параметры частотой избирательности по блокированию:

· Коэффициент блокирования Кбл – отношение приращения (изменения) амплитуды полезного сигнала на выходе приемника (∆Евых) под действием помехи:

(4)

Где , - амплитуды сигналов на выходе приемника, пропорциональные значениям , на рис 2, при отсутствии и наличии блокирующей помехи соответственно. - амплитуда выходного полезного сигнала без эффекта блокирования, - амплитуда выходного полезного сигнала вследствии воздействия на него эффекта блокирования.

· Динамический диапазон по блокированию Dбл определяется как отношение значения характеристики частотной избирательности по блокированию при заданной частотной расстройке мешающего сигнала относительно основного канала к чувствительности приемник:

при Кбл = const, (5)

где, – амплитуда мешающего сигнала на входе приемника, - минимальная амплитуда полезного сигнала на входе приемника, соответствующая его чувствительности. В зависимости от класса приемника его ДД по блокированию обычно не превышает 60...70 дБ.

· Уровень восприимчивости по блокированию определяется как минимальный уровень мешающего сигнала на входе приемника на заданной частоте (например на частоте соседнего канала), при котором коэффициент блокирование равен заданному значению. Для уменьшения восприимчивости по блокированию следует повышать избирательность входных цепей, применять в УВЧ и смесителе активные элементы с малым значением параметра нелинейности .

Перекрестное искажение полезного сигнала является еще одним нелинейным эффектом, который вызывает перенос модуляции с мешающего на полезный сигнал. В результате этого эффекта возникают искажения спектра сигнала на выходе приемника при действии на входе модулированной помехи, частота которой не совпадает с частотами основного и побочного каналов приема. Перекрестные искажения возникают в УВЧ и преобразователе частоты приемника при воздействии на эти элементы модулированного мешающего сигнала с частотой, близкой к значению частоты настройки основного канала приема, например на частоте соседнего канала.

Амплитуда первой гармоники:

(6)

Второе слагаемое отражает эффект блокирования полезного сигнала, а третье слагаемое-эффект перекрестной АМ модуляции сигнала помехой с частотой , в результате в спектре выходного сигнала нелинейного элемента появляются составляющие на частотах . При Өn ≤ 0,5 Вз (Вз - занимаемая полоса радиочастот, за пределами которой излучается определенная доля β средней мощности радиостанции на присвоенной ей частоте f_о.) эти помеховые составляющие попадают в полосу пропускания основного канала и проходят на выход приемника. Глубина паразитной перекрестной модуляции полезного сигнала в (6):

(7)

Коэффициент перекрестных искажений Кпр определяется отношением уровня спектральных составляющих, возникающих в результате перекрестных искажений, к уровню сигнала на выходе приемника при заданных параметрах мешающего и полезного сигналов. Если мешающий сигнал модулирован частотой θп, а полезный сигнал с частотой θс, то Кпр характеризует отношение величины приращения первой гармоники выходного тока за счет действия помеха ∆I1 (θп) к величине приращения первой гармоники тока за счет полезного сигнала ∆ I1 (θс):

(8)

если же: , то

(9)

Здесь I1 (θп), I1 (θс) - амплитуды спектральных составляющих на выходе радиоприемника с частотой помехи и частотой сигнала.

Характеристика частотной избирательности по перекрестным искажениям представляет собой зависимость амплитуды модулированного сигнала на входе приемника от частоты при заданном коэффициенте перекрестных искажений. Уровень восприимчивости радиоприемника по перекрестным искажениям при заданной частотной расстройке мешающего сигнала относительно частоты настройки приемника определяется снятой частотной характеристикой при заданном Кпр. Относительную частотную избирательность приемника по перекрестным помехам характеризует его динамический диапазон по перекрестным искажениям Dпр, равный отношению величины частотной избирательности по перекрестным искажениям на заданной частоте к чувствительности приемника:

при Кпр = const (10)

где

- амплитуда модулированного мешающего сигнала на входе приемника,

-минимальная амплитуда полезного сигнала на входе приемника, соответствующая чувствительности.

Величина динамического диапазона у большинства приемников не превышает 55...65 дБ.Меры по уменьшению перекрестных искажений, такие же как и для эффекта блокирования, т.к. они вызываются общей причиной.

Интермодуляция (взаимная модуляция) – нелинейный эффект, возникающий при взаимодействии на входе приемника двух или более мешающих сигналов, частоты которых не совпадают с частотами основного и побочного каналов приема. Это ведет к появлению спектральных составляющих с новыми частотами, которые могут попадать в полосу пропускания основного или побочных каналов приемника и создавать помехи на его выходе. Частоты опасных интермодуляционных колебаний порядка N=m+n, попадающих в полосу пропускания УПЧ, определяются неравенством:

где f1,f2 – частоты мешающих сигналов, f0 – частота настройки приемника,

Bx- полоса пропускания УПЧ; n,m = ±1,2,3 Наиболее мешающие действие создают интермодуляционные помехи второго и третьего порядка вида f1 + f2 = f0; 2f1 – f2 = f0; 2f2 – f1=f0, где f1 – частота помехи, ближайшая к частоте сигнала, f2- более удаленная. Положение мешающих сигналов на оси частот,создающих такие помехи показано на рис. 3:

Рисунок 3. Образование интермодуляционных помех в приемнике.

Амплитуда первой гармоники частоты сигнала в выходном токе нелинейного элемента:

(11)

Где - напряжения двух мешающих сигналов. Второе слагаемое отображает действие интермодуляционных искажений амплитуды полезного сигнала, при отсутствии помехи .

Параметры интермодуляционных искажений:

А) Коэффициент интермодуляции Ки. Он равен отношению уровня помехи, появившейся в результате интермодуляции на выходе приемника, к уровню сигнала, соответствующего чувствительности приемника:

, (12)

где - уровень интермодуляционной помехи на выходе приемника, - номинальный уровень сигнала на выходе приемника.

Из (12) получаем коэффициент интермодуляции 2-ого, равный относительному уровню интермодуляционной составляющей в токе первой гармоники:

(13)

Наиболее опасны интермодуляционные помехи 3-его порядка(3, в). Это объясняется тем, что при образовании помех 2-ого порядка вблизи частоты настройки приемника находится частота только одного из двух мешающих сигналов на рисунке 3, а, в то время как при формировании помех 3-его порядка вблизи частоты настройки могут находиться обе мешающие частоты (3, в)

(14)

Уровень интермодуляции составляющих быстро уменьшается с порядком, поэтому составляющие с порядком N>3 обычно не учитываются.

Б) Характеристика частотной избирательности по интермодуляционным помехам показывает зависимость уровней мешающих сигналов на входе приемника, создающих интермодуляционную помеху, от частоты одного из них при заданном коэффициенте интермодуляции. Допустимой считается помеха, при которой коэффициент интермодуляции не превышает 3...5%.

В) Динамический диапазон интермодуляции в радиоприемнике Dин – отношение величины частотной избирательности по интермодуляции в приемнике при заданной расстройке относительно основного канала приема к чувствительности приемника:

при Кин = const (15)

Где – амплитуда мешающих сигналов на входе приемника, создающих интермодуляционную помеху, - минимальная амплитуда полезного сигнала на входе приемника, соответствующая его реальной чувствительности. Величина ДД в большинстве приемников не превышает 45...60дБ

Г) Уровень восприимчивости по интермодуляции приемника – минимальный уровень мешающих сигналов при заданной частотной расстройке относительно частоты основного канала приема и заданном коэффициенте интермодуляции. В соответствии с нормами уровень интермодуляционных помех 3-его порядка должен быть не более 80...60дБмкВ в зависимости от класса приемников. Помеха может появиться как при наличии, так и при отсутствии полезного сигнала. При прочих равных условия устройство более восприимчиво к интермодуляционным помехам по сравнению с предыдущими помехами. Меры борьбы с интермодуляционными помехами состоят в повышения избирательности входных цепей и применении в УВЧ и смесителе активных элементов с малым значением параметра нелинейности .