Основные характеристики ВЧТ РПУ

Частотными называют искажения формы сигнала в результате нарушения закона распределения энергии между его спектральными составляющими. Такое нарушение закона распределения возникает в результате неравномерности усиления составляющих колебаний спектра сигнала.

Как известно из курса радиотехники, всякий радиосигнал представляет собой некоторый спектр, характеризующийся необходимой (эффективной) полосой излучения . Предположим, что спектр радиосигнала имеет прямоугольную форму.

Если сигнал с таким спектром пропустить через резонансный тракт радиоприемника с реальной характеристикой, то спектр на выходе приобретет форму, соответствующую форме резонансной характеристики тракта.

Составляющие спектра, прилежащие к несущей, на которую настраиваются резонансные контуры приемника, будут усилены больше, чем крайние боковые. Это является причиной искажений принимаемого сигнала.

Следовательно, в пределах спектра сигнала желательно иметь усиление одинаковым, а за спектром ослабление должно быть полным. Такое требование может быть удовлетворено только в том случае, если резонансная характеристика приемника будет иметь прямоугольную форму.

Оценка частотных искажений производится при помощи коэффициента частотных искажений, который показывает ослабление сигнала на границе полосы пропускания

где К₀ – резонансный коэффициент усиления;

К_гп – коэффициент усиления на частоте, равной крайней составляющей спектра сигнала. Для резонансного тракта – это крайняя нижняя или верхняя боковая спектра радиосигнала, до детектора.

Коэффициент частотных искажений показывает, во сколько раз усиление на границе или в пределах полосы пропускания меньше усиления на частоте наибольшего усиления.

Частотные искажения происходят из-за неравномерности усиления колебаний в заданном диапазоне частот, которая вызывается наличием в схеме реактивных элементов с сопротивлением, зависящим от частоты.

Рисунок 12 – Частотные характеристики идеального (/) и реального (2) трактов РПУ

Зависимость коэффициента усиления К от частоты принято выражать при помощи частотной характеристики. На рисунке 12 приведены частотная характеристика идеального усилителя 1, коэффициент усиления которого остается неизменным во всем диапазоне частот, и частотная характеристика реального усилителя 2, величина коэффициента усиления которого уменьшается в области нижних и верхних частот. Здесь К₀ — коэффициент усиления усилителя в области средних частот диапазона; К_я и К_в — коэффициенты усиления на крайних (нижней и верхней) частотах рабочего диапазона частот.

В ряде случаев частотные характеристики изображают в логарифмической системе координат. При логарифмической системе координат по оси ординат откладывают коэффициент усиления К в децибелах, а по оси абсцисс — логарифмы значения частот F (рис.13).

Рисунок 13 – Частотная характеристика, построенная в логарифмической системе координат

Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом искажений М, равным отношению коэффициента усиления Ко на средних частотах к коэффициенту усиления К на крайних частотах диапазона М = К₀/К.

Общий коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов:

М_05щ = М₁М₂М₃

Коэффициент частотных искажений так же, как и коэффициент усиления, можно выражать в децибелах: М_дБ = – 20 lg M.

Величина допустимых частотных искажений зависит от области использования усилителя. Человеческое ухо почти не замечает частотных искажений, если на крайних частотах звукового диапазона они не превышают 25—30%. Поэтому для усилителей звуковых частот значения коэффициентов частотных искажений могут находиться в пределах М_а = = М_в = 1,25 — 1,3, что соответствует изменению коэффициента усиления на 2—3 дБ.

Неравномерность в полосе пропускания определяется формой резонансной характеристики, которая, в свою очередь, для одиночных колебательных контуров зависит только от их добротности. Очевидно, для уменьшения частотных искажений необходимо уменьшать добротность контуров. Однако это приведет к ухудшению избирательности, так как при меньшей добротности уменьшается крутизна скатов характеристики. В конечном счете, добротность контуров должна быть:

1) достаточно велика, чтобы обеспечивать заданную избирательность;

2) достаточно мала, чтобы частотные искажения не превышали заданной нормы.

Это противоречие разрешается применением более сложных избирательных систем – фильтров, в частности, связанных контуров.

Неравномерность усиления в резонансном тракте вызывает частотные искажения при приеме сигналов АМ. Частотные искажения сигнала, передаваемого методом ЧМ, не зависят от неравномерности частотной характеристики радиотракта, но зависят от неравномерности частотной характеристики тракта электрического сигнала так же, как и частотные искажения АМ-сигнала.

Фазовые искажения

Если электрическая цепь содержит участки с реактивными сопротивлениями, то при изменении частоты сигнала будут изменяться не только действующие значения токов и напряжений на участках цепи, но и фазовые соотношения между сигналами с различными частотами. В схеме усилителя переменного тока всегда имеются реактивные элементы, поэтому фаза выходного напряжения отличается от фазы напряжения на входе.

Сложный электрический сигнал содержит как колебания основной частоты, так и колебания высших гармоник с определенными сооотношениями фаз. Зависимость угла сдвига фаз от частоты усиливаемых колебаний вызывает изменение фазовых соотношений между составляющими сложного сигнала и, как следствие, изменение формы сигнала на выходе.

Изменение фазовых соотношений между составляющими сложного сигнала на выходе усилителя по сравнению с их соотношением на его входе называют фазовыми искажениями усилителя.

Графическое изображение зависимости угла сдвига фаз от частоты называется фазовой характеристикой (рис.14).

Если фазовые соотношения между составляющими сложного сигнала на выходе усилителя не изменяются, то фазовые искажения отсутствуют.

Фазовые искажения отсутствуют не только тогда, когда угол сдвига фаз между входным и выходным напряжениями в рабочем диапазоне частот неизменен, но и тогда, когда этот угол изменяется пропорционально частоте высших гармоник сигнала (рис.14, характеристика 2).

Нелинейность фазовых характеристик является признаком фазовых искажений. Фазовые искажения усилителей звуковых частот обычно во внимание не принимают.

В усилителях телевизионных сигналов и в радиолокационных приемниках фазовые искажения могут заметно изменить воспроизведение изображения на трубке приемника.

Рисунок 14 – Фазовые характеристики реального (1) и идеального (2) усилителей

Для получения удовлетворительного воспроизведения изображения необходимо, чтобы сдвиги угла фаз на крайних частотах диапазона всего канала усиления не превышали 15—20°.

Фазовые искажения не сказываются на качестве воспроизведения звуковых сигналов. Однако при передаче сигналов изображения (телевидение, фототелеграфия) и сигналов с угловой модуляцией (ЧМ и ФМ) нелинейность фазовой характеристики вызывает существенное ухудшение качества воспроизведения.

Линейные искажения импульсных сигналов возникают в результате переходных процессов в цепях, содержащих реактивные элементы. Поэтому такие искажения приводят к изменению формы импульсного сигнала и называются переходными.

Для оценки приемника на переходные искажения используют переходную характеристику.

Переходной характеристикой называют график, показывающий, как изменяется во времени напряжение сигнала на выходе приемника при воздействии на его входе единичного скачка модулируемого параметра (амплитуды, частоты или фазы).

Параметры переходной характеристики (рис.15):

Рисунок 15 – Переходная характеристика для огибающих

где - время установления;

- время запаздывания, за которое выходное напряжение достигает 50% установившегося;

Θ - выброс.

Чем больше амплитуды высших гармонических составляющих в выходном сигнале и чем шире полоса пропускания приемника, тем меньше время нарастания и время запаздывания.

Нелинейные искажения – это искажения формы сигнала в результате появления в спектре выходного напряжения гармонических составляющих, отсутствовавших в модулирующем спектре.

Как линейные, так и нелинейные искажения возникают во всем тракте радиоприемника от входа до выхода. В высокочастотном тракте до детектора важно сохранение закона модуляции радиосигнала. Поэтому здесь решающее значение для качества воспроизводимого сигнала имеют те искажения, которые вносят наиболее существенные изменения в закон модуляции.

При приеме сигналов с амплитудной модуляцией существенное влияние на качество воспроизведения имеют частотные и нелинейные искажения. Поэтому основное значение имеют амплитудно-частотная и амплитудная характеристики.

В случае приема сигналов с угловой модуляцией качество воспроизведения зависит от искажения закона модуляции частоты или фазы. При этом главную роль играет фазово-частотная характеристика, нелинейность которой вызывает нелинейные искажения сигнала на выходе приемника.

Главным при приеме импульсных сигналов является сохранение их формы. Основной характеристикой, показывающей качество воспроизведения в этом случае, является переходная характеристика.