Радиоприемные устройства. 
Общая теория связи

Общие сведения о радиоприемных устройствах

Радиоприемные (приемные) устройства предназначены для приема радиосигналов и преобразования их к виду, позволяющему использовать содержащуюся в них полезную информацию. Любое радиоприемное устройство состоит из приемной антенны и радиоприемника (проще — приемника).

Радиоприемным устройством в широком смысле называют систему узлов и блоков, которые осуществляют следующие операции:

• • обеспечение с помощью приемной антенны пространственной и поляризационной избирательности полезного сигнала и преобразование электромагнитного поля в полезный радиосигнал;
• • усиление радиосигнала;
• • выделение (фильтрацию) полезных радиосигналов из совокупности других (мешающих) сигналов и помех, действующих на выходе приемной антенны;
• • преобразование и усиление принимаемых сигналов для обеспечения качественной работы детектора, декодера, схем защиты приемника от помех;
• • демодуляцию принятого сигнала для выделения информации, содержащейся в полезном радиосигнале;
• • усиление демодулировапного сигнала;
• • декодирование принятого сигнала;
• • обработку принимаемых сигналов.

Последняя операция предусматривает введение в приемник средств помехозащиты и эффективную обработку сигналов и помех, при которой достигается наилучшее обнаружение сигналов или оценка принятой информации (сообщения) по какому-либо критерию оптимальности приемника в соответствии с целевым содержанием решаемой практической задачи.

Приемники классифицируют по назначению, диапазону принимаемых волн (рабочих частот), виду модуляции передаваемых сигналов и условиям эксплуатации.

По назначению приемники делят на профессиональные и бытовые. К профессиональным относятся приемники связные, радионавигационные и др. Бытовые приемники обеспечивают прием программ звукового и телевещания.

Диапазон рабочих частот — это область частот настройки, в пределах которой обеспечиваются все требуемые характеристики приемника.

По виду модуляции сигнала приемники, как и передатчики, делятся на устройства с амплитудной, амплитудной балансной и однополосной, частотной, фазовой, импульсной, импульсно-кодовой и другими видами модуляции.

По условиям эксплуатации приемники бывают стационарными, бортовыми и мобильными.

К основным характеристикам приемника относятся чувствительность, избирательность, помехоустойчивость и динамический диапазон.

Чувствительность приемника — его способность обеспечивать прием слабых сигналов. Ее оценивают мощностью входного сигнала, необходимой для получения номинальной мощности на выходе приемника при заданном отношении сигнал/шум. Антенны принимают сигналы мощностью 10 ¹⁰—1(Г¹⁵ Вт (50—300 мкВ; около 10 ⁽⁾ В) или напряженностью поля 0,3—5 мВ/м. На выходе приемника для надежной регистрации сигнала требуется мощность порядка единиц ватт, т. е. необходимо усиление по мощности до Ю¹⁰— 10^к>, по напряжению — до 10⁷. Это достигают с помощью многокаскадных УВЧ, УПЧ и УНЧ.

Теоретически можно разработать приемник, чувствительный к сколь угодно слабым сигналам. Для этого требуется лишь увеличить число его усилительных каскадов. Однако в реальных устройствах наряду с полезным сигналом всегда имеются шумы, образующиеся за счет внешних помех и собственных шумов приемника. Уровень собственных шумов определяется шумами первых каскадов приемника. Поэтому при создании высокочувствительных приемников важной задачей является разработка малошумящих усилительных каскадов.

Избирательность, или селективность, приемника — способность выделить полезный сигнал из множества других сигналов и помех, принятых антенной. Это понятие избирательности определяется только частотной фильтрацией полезного сигнала от мешающих сигналов в высокочастотном тракте. Реальная же избирательность приемника в целом зависит также от нелинейных явлений в его каскадах. Поэтому используют эффективную частотную избирательность_у под которой понимают способность приемника различать полезный сигнал и помехи, уровни которых таковы, что они создают нелинейные эффекты при одновременном действии полезного и мешающих сигналов. Нелинейные эффекты в каскадах приемника обусловлены в основном нелинейностью ВАХ усилительных приборов при больших уровнях сигнала или помех. Они вызывают следующие явления в приемниках:

• • сжатие амплитуды сигнала, т. е. нарушение линейной зависимости между амплитудами сигнала на выходе и входе каскада;
• • блокирование полезного сигнала, выражающееся в изменении коэффициента передачи приемника при действии помех, частоты которых отличаются от частот основного и побочного каналов;
• • появление перекрестных искажений радиосигналов, отражающихся в изменениях структуры спектра выходного сигнала при одновременном действии на входе приемника сигнала и модулированной помехи, частота которой не совпадает с основным и побочными каналами приема;
• • интермодуляцию между передаваемым сигналом и внеполосными сигналами, а также между всеми этими сигналами и шумом.

При проектировании приемников задают значения избирательности по соседнему, зеркальному и другим побочным каналам приема.

Пространственную избирательность осуществляют с помощью остронаправленных приемных антенн, а в настоящее время — и путем управления диаграммой направленности ФЛР. Если передатчик сигнала и источник помехи разнесены по угловым направлениям, то можно существенно ослабить уровень внешней помехи на входе приемника. Для этого формируют максимум диаграммы направленности приемной антенны в направлении на передатчик сигнала, а в направлении источника помехи — нули (провалы) в диаграмме направленности.

Поляризационная избирательность осуществима, если имеются различия в поляризациях электромагнитных волн полезного сигнала и помехи. Она производится приемной антенной, которую настраивают на вид поляризации сигнала.

Коэффициентом шума называют отношение мощностей сигнала и шума на входе (Р_с/Р_ш)_вх, отнесенное к такому же отношению мощностей сигнала и шума на выходе линейной части (на входе детектора) приемника (Р₍./Р_|П)_ПЫХ:

Физически коэффициент шума показывает, во сколько раз уменьшается отношение мощности сигнала к мощности шума (помехи) при включении в тракт передачи сигнала данного приемника. Если приемник сам по себе не шумит (теоретически это возможно при абсолютном нуле температуры), то его входное и выходное отношения сигнал/шум равны и коэффициент шума К_ш = 1 (это 0 дБ).

Помехоустойчивость приемника — способность обеспечивать прием переданной имнформации с заданной достоверностью при выбранных видах сигналов (в том числе видов модуляции или кодирования) и наличии помех в радиоканале. Поскольку действие помех проявляется в том, что принятое сообщение отличается от переданного, то качественно помехоустойчивость при заданной помехе можно характеризовать степенью соответствия принятого сообщения переданному. Эту величину в теории информации называют термином «верность».

Известны общие методы борьбы с помехами, к которым относятся:

• • увеличение мощности сигнала за счет увеличения мощности передатчика;
• • устранение причин возникновения помех;
• • охлаждение входных устройств приемника;
• • применение направленных антенн, в том числе и ФАР;
• • накопление сигналов;
• • совершенствование устройств, выделяющих сигналы на фоне помех.

Однако этим путем не всегда можно добиться успеха в борьбе с помехами. Принципиально неустранимы внутренние, атмосферные и космические шумы. В связи с этим возникает задача наделения передаваемого сигнала свойством противостоять воздействию помех, т. е. свойством помехоустойчивости к тому или иному их виду. Для решения такой задачи необходимо из всех возможных видов модуляции и способов кодирования выбрать такие, которые в данных условиях и при заданных ограничениях имели бы необходимую помехоустойчивость.

Допустимые искажения принимаемого сигнала в отсутствие помех. Искажения делят на линейные и нелинейные. Амплитудно-частотные искажения приводят к изменению соотношений между амплитудами составляющих полезного сигнала на выходе приемника и на его входе. Их оценивают допустимой нелинейностью АЧХ приемника в заданном диапазоне модулирующих частот. Фазочастотные искажения проявляются в том, что разные составляющие спектра сигнала при прохождении через приемник сдвигаются во времени на неодинаковое значение и оцениваются допустимой нелинейностью ФЧХ приемника. Нелинейные искажения передаваемого сигнала проявляются в виде дополнительных частот на выходе приемника, не содержащихся в передаваемом сообщении. Их оценивают допустимым коэффициентом нелинейных искажений при заданном коэффициенте модуляции.

Динамический диапазон — отношение граничных уровней входных воздействий, характерных для приема данного вида излучения, в пределах которых обеспечивается нормальное качество приема. Максимальный уровень сигнала ограничен допустимыми нелинейными искажениями в усилительных и преобразовательных каскадах приемника из-за нелинейных характеристик электронных приборов при сильных сигналах. Минимальный уровень входного сигнала ограничивается уровнем собственных шумов, т. е. чувствительностью приемника. Динамический диапазон определяет основные параметры приемника — эффективные чувствительность и избирательность, а также такие параметры систем, в состав которых входит приемник, как точность воспроизведения сигналов, разрешающая и пропускная способности, ЭМС и т. д. Относительное изменение уровней полезных сигналов и помех на входе приемников в обычных условиях работы может составлять 90—100 дБ.

Структурная схема приемника, отражающая основные функции радиоприемного устройства, показана па рис. 7.11. Она содержит антенну (А); усилительно-преобразовательный тракт (УТ); информационный тракт (ИТ); тракт адаптации, управления и контроля (ТАУК), гетеродинный тракт (ГТ) и опорный генератор (ОГ). Электромагнитные волны (ЭВ) принимаются антенной и в виде радиосигнала поступают в усилительно-преобразовательный тракт.

УТ производит выделение полезного сигнала из совокупности поступающих от антенны сигналов и помех, не совпадающих с ним по частоте, и усиление этого сигнала до уровня, необходимого для нормальной работы следующих каскадов. Хотя в УТ с сигналом производятся определенные нелинейные операции (усиление по высокой частоте, смещение спектра и др.), в принимаемую информацию указанный тракт существенных искажений не вносит, и в этом смысле его можно считать практически линейным.

В информационном тракте осуществляется основная обработка принятого радиосигнала с целью выделения содержащейся в нем информации (демодуляция и ослабление мешающего воздействия помех). При этом важнейшей задачей приемника является оптимальный прием — выделение информации с максимальной достоверностью. Для этого в состав ИТ включают оптимальный фильтр, цени последетекторной обработки, следящие системы частотной и фазовой автоматической подстройки частоты, используемые для детектирования сигнала, а также для его поиска и сопровождения по частоте, фазе и временной задержке. Гетеродинный тракт преобразует частоту собственного или внешнего О Г и формирует сетку частот, необходимую для работы преобразователей частоты в УТ, следящих систем и устройств обработки сигнала в ИТ. Обычно это синтезатор частот, обеспечивающий работу всего приемника.

С помощью ТАУК осуществляют автоматизированное управление режимом работы приемника (включение и выключение, поиск и выбор сигнала и т. д.). При этом качество его работы отражается на индикаторах. Для внешнего управления (ВУ) приемником к ТАУК подводятся сигналы управления.

Дальнейшее преобразование сигнала зависит от особенностей применения приемника. Если, например, приемник предназначен для многоканальной радиосвязи, то продетектированный и усиленный сигнал подводится к оконечному устройству (ОУ), в котором происходит разделение сигналов по отдельным каналам. В ОУ энергия выделяемого сигнала используется для получения требуемого выходного эффекта — акустического (телефон, громкоговоритель), оптического (кинескоп, дисплей).

Источник питания (ИП) осуществляет питание постоянным током всех узлов приемника.

По особенностям построения схем радиоприемники можно разделить на две основные группы: приемники прямого усиления и супергетеродинные приемники. Первые делят на приемники прямого усиления без регенерации (возобновление, воспроизведение) и приемники прямого усиления с регенерацией. Иногда создают сверхрегенеративные приемники.