Назначение и классификация радиоприемных устройств. Радиоприемные устройства используют для радиосвязи, звукового и телевизионного вещания, радионавигации, радиолокации, paдио-, телеуправления и т.д. Радиоприемное устройство должно содержать все необходимые узлы для осуществления следующих процессов:

• выделения из всей совокупности электрических колебаний, создаваемых в антенне внешними электромагнитными полями, сигнала от нужного радиопередатчика;

• усиления высокочастотного сигнала;

• детектирования, т.е. преобразования высокочастотного модулированного сигнала в ток, изменяющийся по закону модуляции;

• усиления продетектированного сигнала.

Дальнейшее преобразование сигнала зависит от конкретных особенностей применения радиоприемника. Если, например, приемник предназначен для одноканальной радиотелефонной связи либо звукового или телевизионного вещания, то принятый сигнал после усиления превращается в звук и изображение при помощи телефона, громкоговорителя и приемной телевизионной трубки.

Если приемник предназначен для многоканальной радиосвязи, то продетектированный и усиленный сигнал подводится к оконечному устройству, в котором происходит разделение сигналов по отдельным каналам и, если требуется, дополнительная их обработка.

Применяемые в настоящее время радиоприемники делятся на профессиональные и бытовые. Первые предназначаются для использования на линиях радиосвязи и для решения различных навигационных, телеметрических и других специальных задач. Вторые служат для приема программ звукового и телевизионного вещания.

Радиоприемные устройства можно классифицировать:

• по роду работы (радиотелефонные, радиотелеграфные, телевизионные, радионавигационные, радиолокационные и др.);

• по виду модуляции (с амплитудной модуляцией (AM), частотной модуляцией (ЧМ), однополосной амплитудной модуляцией (ОБП) и т.д.);

• по диапазону волн принимаемых сигналов (километровые, гектометровые, декаметровые и т.д.);

• по месту установки (стационарные, переносные, самолетные, автомобильные и др.);

• по схеме электропитания (от сети постоянного и переменного токов).

Основные показатели радиоприемников. Показатели радиоприемников определяются их назначением. Для радиоприемников разных типов они могут быть различными.

Чувствительность характеризует способность приемника принимать слабые сигналы. Она обычно оценивается наименьшим значением ЭДС или мощностью радиосигнала в антенне, при которой возможен устойчивый прием с нормальным воспроизведением сигнала без недопустимого искажения его помехами.

Чувствительность приемников в зависимости от их назначения может колебаться в широких пределах. Так, чувствительность радиовещательных приемников находится в пределах 50-300 мкВ в зависимости от класса качества. Чувствительность радиолокационных приемников имеет значения порядка 10^-12 – 10^-15 Вт. Для приемников с ферритовой антенной используется понятие чувствительности по напряженности поля. Она имеет значение от 0,3 до 5 мВ/м.

Высокая чувствительность может быть практически реализована лишь в том случае, если уровень внешних помех или собственных шумов на выходе приемника в несколько раз ниже уровня сигнала. Поэтому приемники разных видов необходимо характеризовать не только их чувствительностью, но и так называемой реальной чувствительностью, под которой понимается минимальная ЭДС в антенне, при которой обеспечивается не только нормальная мощность на выходе, но получается определенное превышение уровня сигнала над уровнем внешних помех или собственных шумов.

Избирательностью (селективностью) радиоприемного устройства называется его способность выделять из различных сигналов, отличающихся по частоте, сигнал принимаемой станции. В соответствии с этим избирательность приемника оценивается как относительное ослабление сигналов посторонних радиостанций, работающих на различных волнах, по отношению к сигналам принимаемого передатчика, на волну которого этот приемник настроен. Избирательность осуществляется главным образом входящими в состав приемника колебательными контурами и фильтрами.

Рисунок 1.5. К пояснению избирательности радиоприемника.

Понятие избирательности поясняет рисунок 1.5, на котором показан спектр частот трех радиостанций, из которых две крайние мы рассматриваем как помехи. Из рисунка 1.5 видно, что если фильтры приемника обладают прямоугольной частотной характеристикой, соседние (мешающие) радиостанции не создадут на его выходе никакого сигнала (рисунок 1.5 б). Если же частотная характеристика фильтра далека от идеальной, то на его выходе кроме полез ного сигнала будет прослушиваться помеха (рисунок 1.5 в).

Естественно, что наибольшие трудности представляет ослабление помех от ближайших по частоте посторонних сигналов, т.е. сигналов соседнего частотного канала. Поэтому для оценки качества приемника всегда определяется его селективность в отношении помех соседнего канала.

Рисунок 1.6. Резонансная характеристика приемника.

В первом приближении количественную оценку избирательности можно производить по резонансной характеристике приемника, изображающей зависимость коэффициента усиления от частоты колебаний в антенне. Благодаря применению колебательных контуров и фильтров резонансная характеристика при настройке приемника на какую-либо частоту сигнала имеет вид, подобный рисунку 1.6. Избирательность в отношении помехи на частоте f_c определяется вэтом случае как

где К ₀ – коэффициент усиления на частоте настройки; К_п – коэффициент усиления на частоте f _п .

Селективность удобно определять также в децибелах:

Так как передаваемое сообщение имеет определенную полосу частот, другой не менее важной функцией приемника является прием сигнала высокой частоты со всеми его боковыми частотами, т.е. одновременный прием определенной полосы частот. При этом необходимо, чтобы соотношения между амплитудами составляющих спектра сигнала оставались без изменений. Последнее можно обеспечить лишь при постоянной чувствительности приемника в определенной полосе частот. Поэтому понятно, что идеальная амплитудная частотная характеристика (АЧХ) приемника должна быть прямоугольной. При такой форме приемник одинаково принимает спектр боковых частот полезного сигнала, т.е. полоса пропускания такого устройства однозначно определяется как 2 f . Одновременно приемник с такой АЧХ обладал бы идеальной избирательностью, поскольку не пропускал бы сигналов мешающих станций и помех, частоты которых отличаются на f.

Частотная характеристика реального приемника отличается от прямоугольной. Полосой пропускания в данном случае называют область частот, в пределах которой ослабление спектра принимаемых колебаний не превышает заданного значения. Считается, что искажения будут не заметны на слух, если неравномерность АЧХ в пределах полосы пропускания не превышает 3 дБ. Это соответствует уровню . Именно на этом уровне отсчитывается полоса пропускания. Частотные свойства контура могут быть заданы его добротностью .

Качество воспроизведения принятого сигнала зависит от различного рода искажений сигнала в отдельных каскадах приемника. К этим искажениям относятся частотные, фазовые и нелинейные. На качество принятого сигнала будут влиять также различного рода помехи: атмосферные, промышленные, помехи от соседних по частоте передатчиков, а в диапазонах УКВ - собственные шумы приемника.

Структурные схемы радиоприемников. В настоящее время находят применение приемники прямого усиления, регенеративные, суперрегенеративные, супергетеродинные с одинарным и двойным преобразованиями частоты. Рассмотрим более подробно структурные схемы приемника прямого усиления и супергетеродинного. Ha рисунке 1.7 представлена структурная схема приемника прямого усиления.

Рисунок 1.7. Структурная схема приемника прямого усиления

Входная цепь (ВЦ) выделяет полезный сигнал из всей совокупности колебаний, наводимых в антенне от различных радиопередатчиков и других источников электромагнитных колебаний, ослабляет мешающие сигналы. Усилитель радиочастоты (УРЧ) усиливает поступающие из входной цепи полезные сигналы и обеспечивает дальнейшее ослабление сигналов мешающих станций. Детектор (Д) преобразует модулированные колебания радиочастоты в колебания, соответствующие передаваемому сообщению: звуковому, телеграфному и др. Усилитель низкой частоты (УНЧ) усиливает продетектированный сигнал по напряжению и мощности до величины, достаточной для приведения в действие оконечного устройства (громкоговорителя, реле, приемной телевизионной трубки и др.). Оконечное устройство (ОУ) преобразует электрические сигналы в исходную информацию (звуковую, световую, буквенную и др.).

Приемник прямого усиления не может обеспечить хорошую избирательность и высокую чувствительность, особенно в диапазонах коротких и ультракоротких волн. Это объясняется тем, что по мере повышения частоты возрастает полоса пропускания резонансной цепи. Так, полоса пропускания одиночного контура 2f и его добротность Q связаны соотношением , где f _с – частота принимаемого сигнала.

На высоких частотах полоса пропускания контура возрастает и кроме полезного сигнала контур будет пропускать помеху.

Заметим, что сделать селективную цепь приемника прямого усиления с прямоугольной или даже близкой к ней характеристикой практически невозможно, так как этот контур должен быть перестраиваемым. Фильтры, обеспечивающие прямоугольные характеристики. - это многоконтурные системы, перестраивать которые одной ручкой настройки невозможно. В связи с этим приемник прямого усиления обладает плохой избирательностью.

Усилитель радиочастоты, осуществляющий усиление радиосигналов с различными несущими частотами, при наличии неизбежной паразитной обратной связи (например, через источники питания или паразитные емкости) может самовозбудиться и превратиться в автогенератор. Вероятность самовозбуждения растет с ростом частоты и коэффициента усиления. Для повышения устойчивости работы УРЧ его коэффициент усиления приходится ограничивать. Поэтому чувствительность приемника прямого усиления оказывается относительно низкой. Например, для того чтобы УРЧ обеспечил на входе детектора необходимое для линейного детектирования напряжение 0,1 В, напряжение на его входе, характеризующее чувствительность, должно быть не менее 1000 мкВ. Плохая избирательность и низкая чувствительность, изменяющиеся в рабочем диапазоне частот, являются существенными недостатками приемника прямого усиления, ограничивающими его использование.

От указанных недостатков свободен супергетеродинный приемник (рисунок 1.8). Его отличительной особенностью является использование в нем преобразователя частоты, состоящего из смесителя (С) и гетеродина (Г). На выходе преобразователя мы получаем промежуточную частоту, усиливаемую в дальнейшем усилителем промежуточной частоты (УПЧ).

Рисунок 1.8. Структурная схема супергетеродинного приемника.

Преобразователем частоты называется устройство, предназначенное для переноса спектра сигнала из одной области частот в другую без изменения амплитудных и фазовых соотношений между компонентами спектра. Поскольку при таком переносе форма спектра сигнала не меняется, то не будет меняться и закон модуляции сигнала. Изменяется только значение несущей частоты сигнала f _с, которая становится равной некоторой преобразованной частоте f_пр.

К преобразователю частоты кроме напряжения сигнала с частотой f_с, подводится напряжение гетеродина (маломощного автогенератора) с частотой f_г. При взаимодействии этих напряжений в преобразователе частоты возникаю составляющие различных комбинационных частот, из которых используется только одна. Обычно используется составляющая f_пр = f_г – f_с.

На практике значение f_пр обычно меньше частоты несущей сигнала f_с , но больше частоты модулирующего сигнала F_c.

Поскольку преобразованная частота f _пр занимает промежуточное значение между f_с и F _с , то она называется промежуточной частотой.

Название супергетеродин составное (супер+гетеродин), в котором слово гетеродин указывает на характерный для супергетеродинных приемников каскад-гетеродин. Этот каскад является неотъемлемой частью преобразователя частоты. Приставка супер означает, что в супергетеродинных приемниках преобразованная частота f_пр расположена в области частот выше (сверх) частоты модуляции F_c.

Преобразование несущей частоты радиосигнала в промежуточную приводит к улучшению фильтрации соседних каналов радиосвязи. Например, пусть в антенне действует ЭДС сигналов с несущими частотами f₁ = 20 МГц (полезный сигнал) и f₂ = 20,2 МГц. Относительная разность частот между станциями . Контур в радиочастотном диапазонеимеет добротность 20-50, т.е. относительную полосу пропускания 5-2%. В рассматриваемом примере станция f₂ отличается от избранной всего на 1% и поэтому будет создавать заметную помеху. Если произвести преобразование несущей частоты f₁ , то при частоте сигнала гетеродина f_г = 20,5 МГц получаются две промежуточные частоты f_пр1 = 20,5 - 20 = 0,5 МГц и f_пр2 = 20,5 – 20,2 = 0,3 МГц, относительная разность между которыми . Как видно, относительная разность увеличиласьот 1 до 40%. В этих условиях станция, работающая на частоте f₂, не будет помехой для фильтров преобразователя частоты, настроенных на частоту f_пр =0,5 МГц, даже если их добротность соизмерима с добротностью контуров УРЧ.

В супергетеродинных приемниках основное усиление и избирательность осуществляются после преобразования частоты в усилителе промежуточной частоты (УПЧ). Важным достоинством супергетеродинного приемника является то, что в процессе его перестройки на другую станцию промежуточная частота f_пр не меняется. Достигается это за счет того, что при перестройке приемника на другую частоту сигнала f_с одновременно изменяется частота гетеродина f_г таким образом, чтобы разность f_г – f_с = f_пр осталась неизменной.

Следовательно, при перестройке супергетеродинного приемника достаточно изменить резонансные частоты входной цепи, УРЧ и гетеродина. Перестраивать УПЧ при этом не требуется. Поскольку УПЧ не перестраивается, то его характеристики не меняются. При этом частотная характеристика контуров УПЧ может быть получена достаточно близкой к прямоугольной, так как в нем могут быть использованы фильтры любой степени сложности. Именно по этой причине супергетеродинные приемники обеспечивают высокую избирательность.

Поскольку УПЧ работает на существенно более низкой частоте, чем УРЧ, он может обеспечить существенно большее усиление, так как усилительные свойства элементов улучшаются но мере понижения частоты. Кроме того, при снижении частоты уменьшится влияние паразитных обратных связей, что способствует повышению коэффициента устойчивого усиления УПЧ. Это позволит обеспечить высокую чувствительность супергетеродинного приемника (порядка 1 мкВ).

Недостатком супергетеродинных приемников является наличие в них побочных каналов приема, главным из которых является зеркальный.

Зеркальный канал имеет несущую частоту f_зерк , отличающуюся от частоты полезного сигнала f_с на удвоенную промежуточную частоту f_зерк = f_с + f_пр (рисунок 1.9).

Рисунок 1.9. К вопросу возникновения зеркальной помехи

Частоты f_с и f_зерк расположены зеркально симметрично относительно частоты гетеродина f_г . Разность между f_зерк и f_г равна промежуточной частоте, как и в случае полезного сигнала. Поэтому если на преобразователь частоты поступают сигналы станций f_с и f_зерк , то на его выходе обе станции дадут напряжение промежуточной частоты. Если сигнал частоты f_с является полезным, то сигнал частоты f_зерк , попавший на преобразователь, является помехой. Очевидно, что ослабление помехи по зеркальному каналу должно происходить до преобразователя частоты. Для улучшения избирательности по зеркальному каналу промежуточная частота должна быть высокой. Тогда несущие частоты f_с и f_зерк значительно различаются. При этом коэффициент передачи входной цепи (она тоже обладает резонансными свойствами) на частоте f_зерк существенно меньше, чем на частоте f_с , и сигнал зеркальной станции будет значительно подавлен входной цепью. При наличии в приемнике УРЧ зеркальная помеха дополнительно подавляется за счет избиpaтeльныx свойств УРЧ.

Однако при высокой промежуточной частоте уменьшается коэффициент устойчивого усиления УПЧ и расширяется его полоса пропускания, что приводит к снижению чувствительности приемника и его избирательности по соседнему каналу. Как видно, требование к величине промежуточной частоты довольно противоречиво.

Другим побочным канатом является канал, частота которого равна промежуточной. Сигнал такой частоты, поступающий на вход преобразователя, без каких-либо изменений попадает па УПЧ. Для его устранения радиовещательные станции не должны работать на промежуточной частоте, а случайные помехи с частотами, близкими к промежуточной, должны быть подавлены соответствующими фильтрами на входе приемника.

В бытовых радиовещательных приемниках несущая частота составляет 465 кГц, т.е. она расположена в окне между границами радиовещательных диапазонов ДВ и СВ - 285,5-525 кГц.

В приемниках, работающих на магистральных линиях радиосвязи, требуются более высокие чувствительность и избирательность как по соседнему, так и по зеркальному каналам. Это невозможно выполнить при выборе одной промежуточной частоты, поэтому в таких приемниках применяют двойное преобразование частоты. При двойном преобразовании частоты первую промежуточную частоту выбирают достаточной высокой (порядка 1 МГц), за счет чего обеспечивается высокая избирательность по зеркальному каналу. Вторая промежуточная частота выбирается достаточно низкой (порядка 100 кГц), что позволяет получить высокий коэффициент устойчивого усиления в каскадах УПЧ и таким образом повысить чувствительность приемника при высокой избирательности по соседнему каналу.