Выбор типа структурной схемы
ВВЕДЕНИЕ
Одним из основных этапов профессиональной подготовки по специальности «Радиотехника» является изучение дисциплины «Устройства приема и обработки сигналов» (УП и ОС), закладывающей основание в специальную подготовку выпускников.
Изучение дисциплины осуществляется путем чтения лекций, проведения лабораторных и практических занятий, выполнения курсового проекта и самостоятельной подготовки обучаемых.
Учебное пособие по практическим занятиям ориентировано на типовую программу по дисциплине УП и ОС, рассчитано на 34 часа и охватывает проектирование структурной схемы в/ч тракта приемника и электрический расчет отдельных eго каскадов. Темы практических занятий составлены применительно к курсовому проектированию по дисциплине УП и ОС.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1.
ВЫБОР ТИПА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ПОДДИАПАЗОНОВ И ИХ ГРАНИЦ, РАСЧЕТ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ, ВЫБОР ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ
Выбор типа структурной схемы
Проектирование структурной схемы является важнейшим этапом проектирования УП и ОС (приемника), в значительной степени определяющем последующие решения по принципиальным схемам и параметрам приемника. Врадиосистемах различного назначения полезная информация отображается в параметрах радиосигнала на входе радиоприемного устройства. Состав структурной схемы, назначение отдельных узлов приемника и выполняемые ими функции подчинены основной задаче – выделению информации из принимаемого сигнала.
Структурная схема определяет структуру устройства приема и обработки сигналов в целом, то есть число и назначение каскадов, систем и устройств, образующих приемник. Структурная схема УП и ОС в значительной мере определяется его назначением и видом модуляции сигнала.
Первоначально необходимо решить вопрос об основном принципе построения структурной схемы – прямого усиления, прямого преобразования или супергетеродинного типа.
Современные радиоприемные устройства преимущественно выполняются по супергетеродинной схеме.
Выбор структурной схемы супергетеродинного приемника сводится в основном к выбору числа преобразований частоты, при котором обеспечивается выполнение требований ТЗ к избирательности и частотной точности приемника. Первоначально анализируют возможные варианты построения супергетеродинного приемника с однократным преобразованием частоты. Выбранное значение промежуточной частоты должно обеспечивать получение заданных в ТЗ значений избирательности по соседнему и побочным каналам приема при приемлемой сложности фильтров в трактах радиочастоты и промежуточной частоты. Если приемлемое решение найти не удается, переходят к анализу вариантов с двойным преобразованием частоты. При этом, если необходимо понизить частоту сигнала в сотни и более раз, при каждом преобразовании частоту понижают не более, чем в 10...20 раз. В таком случае частота зеркального канала при каждом преобразовании отличается от частоты сигнала на 10...20 %, что позволяет существенно ослабить помехи по зеркальному каналу при приемлемой сложности фильтров преселектора.
Современные радиовещательные приемники АМ и ЧМ сигналов в большинстве случаев строят по супергетеродинной схеме, как правило, с однократным преобразованием частоты. В приемниках, предназначенных для приема сигналов с различными видами модуляции, как правило, применяют частично комбинированную структурную схему; в вещательных АМ–ЧМ приемниках обычно полностью разделяют тракты радиочастоты и совмещают тракты сигналов с АМ и ЧМ, начиная с УПЧ. Полностью комбинированная схема не оправдывает себя, так как значительно усложняется коммутация и снижается устойчивость работы приемника. Приемники с полностью разделенными трактами обычно экономически невыгодны. С появлением интегральных микросхем, предназначенных для построения приемников АМ и ЧМ сигналов, стала реально возможной и экономически целесообразной разработка вещательных АМ–ЧМ приемников с полностью разделенными ВЧ трактами АМС и ЧМС.
Основой для выбора типа структурной схемы профессионального приемника являются требования к стабильности частоты настройки. Различные варианты схем супергетеродинов различаются в основном построением системы стабилизации частоты. При выборе структурной схемы приемника во многих случаях прежде всего выбирают схему формирования гетеродинирующих напряжений, обеспечивающую заданную в ТЗ стабильность частоты настройки, так как этот выбор в значительной мере влияет и на построение тракта прохождения сигналов в приемнике: на количество преобразований частоты, номиналы промежуточных частот и способ разбивки диапазона рабочих частот на поддиапазоны. Нестабильность настройки супергетеродина определяется в основном гетеродинами и в значительно меньшей степени – нестабильностью настройки контуров в тракте прохождения сигналов.
Проектирование структурной схемы приемника традиционно подразделяется на проектирование тракта высокой частоты (ВЧ) и проектирование тракта низкой частоты (НЧ) или видеотракта. В дальнейшем рассматривается в основном методология проектирования структурных схем ВЧ тракта.
Тракт ВЧ супергетеродинного приемника состоит из трактов радиочастоты (частоты сигнала) и промежуточной частоты. Входящие в них каскады имеют определенное функциональное назначение. Назначение входной цепи (ВЦ) – предварительная селекция и передача энергии полезного сигнала от антенны ко входу первого каскада с наименьшими потерями и искажениями. Вместе с фильтрами УРЧ входная цепь обеспечивает требуемую избирательность по зеркальному, прямому и другим побочным каналам приема. Особенно высокие требования к избирательности ВЦ предъявляются тогда, когда приемник должен обеспечивать высокую надежность связи в сложной помеховой обстановке, например, при размещении большого количества радиосредств на ограниченной территории. Для защиты приемника от мощных мешающих сигналов, способных вызвать перекрестные и интермодуляционные помехи (искажения) уже в первых каскадах УРЧ или в ПЧ, необходимо уменьшать полосу пропускания ВЦ и улучшать прямоугольность АЧХ. Эти меры особенно эффективны в диапазонах КВ, УКВ и на более высоких частотах, где полоса пропускания ВЦ (и преселектора в целом) значительно шире полосы пропускания приемника. С этой целью может оказаться полезным применение во входных цепях перестраиваемых двух– и даже трехконтурных полосовых фильтров. Однако применение таких фильтров сопровождается увеличением потерь сигнала во входной цепи и соответствующим снижением чувствительности приемника. Этот вопрос особенно актуален для приемников УКВ диапазона, где для получения максимальной чувствительности приемника обычно применяют одноконтурные ВЦ в режиме оптимального согласования (точнее – рассогласования) по шумам.
Назначение УРЧ – уменьшение коэффициента шума приемника, дополнительное подавление зеркального, прямого и других побочных каналов приема, усиление полезного сигнала. В каскадах УРЧ чаще всего применяют одноконтурные фильтры, а коэффициенты усиления выбирают небольшими, чтобы избежать избыточного усиления мешающих сигналов, попадающих в полосу пропускания преселектора, которые могут быть причиной появления перекрестных и интермодуляционных искажений в следующем каскаде – преобразователе частоты. По этой причине, а также во избежание сильного усложнения конструкции преселектора, ограничивают число каскадов УРЧ – обычно не более одного...двух. Общий коэффициент усиления преселектора обычно не более 5...10, а его изменение в пределах поддиапазона – не более, чем в два раза. Избирательность преселектора по соседним каналам приема в диапазонах КВ и УКВ невелика, только в диапазоне ДВ и отчасти СВ преселектор вносит некоторое ослабление соседних каналов.
Назначение УПЧ – обеспечение избирательности приемника по соседним каналам приема и основного усиления приемника до детектора. Кроме того, фильтры УПЧ определяют полосу пропускания и форму АЧХ ВЧ тракта приемника. Для получения высокой избирательности по соседнему каналу применяют фильтры сосредоточенной селекции (ФСС), причем обычно ФСС используют как нагрузку ПЧ, а остальные каскады УПЧ обеспечивают необходимое усиление и в этом случае их выполняют слабоизбирательными или апериодическими. Во многих приемниках, как профессиональных, так и радиовещательных, тракт УПЧ выполняют с переменной полосой пропускания для лучшего согласования с параметрами принимаемого сигнала и условиями радиоприема. В приемниках с двойным преобразованием сказанное выше относится к тракту второй ПЧ. Тракт первой ПЧ выполняется относительно простым, его фильтры относительно широкополосны и обеспечивают необходимую избирательность по второму зеркальному каналу, а усиление выбирают небольшим для предотвращения нелинейных явлений во втором преобразователе частоты. В некоторых случаях первая ПЧ выбирается переменной или имеет разные значения для различных поддиапазонов.
Существует ряд вариантов структурных схем ВЧ тракта профессиональных приемников, однако среди них можно выделить три основных. Первый вариант – с постоянной частотой первого гетеродина и с перестраиваемой (переменной) первой промежуточной частотой. Частота первого гетеродина скачком меняется при переключении поддиапазонов, в пределах поддиапазона она постоянна. При этом первая ПЧ плавно меняется в одинаковых пределах при перестройке во всех поддиапазонах приемника. Частота второго гетеродина изменяется так, чтобы обеспечивать постоянство второй ПЧ. К недостаткам такого варианта относятся сложность реализации из–за необходимости в сопряженной перестройке преселектора, УПЧ1 и второго гетеродина; изменение показателей приемника при перестройке из–за изменений характеристик тракта первой ПЧ.
Второй вариант отличается тем, что усилитель первой ПЧ не перестраивается при перестройке приемника, но ширина полосы пропускания УПЧ1 равняется ширине поддиапазона. Первая ПЧ, как правило, выбирается выше диапазона принимаемых частот. Для хорошего подавления второго зеркального канала при широкой полосе пропускания УПЧ1 выбирают высокую вторую ПЧ. Но при этом для обеспечения хорошей фильтрации соседнего канала возникает необходимость в третьем преобразовании частоты. При широкополосном УПЧ1 резко возрастают требования к линейности тракта усиления и к избирательности преселектора для борьбы со всевозможными нелинейными эффектами при приеме. Преселектор может быть как перестраиваемым, так и неперестраиваемым. В неперестраиваемом преселекторе диапазон принимаемых частот перекрывается рядом неперестраиваемых фильтров с запасом по взаимному перекрытию. Разновидностью рассмотренной схемы является схема с неперестраиваемым широкополосным преселектором, содержащим ФНЧ, граничная частота которого равна верхней частоте принимаемого диапазона (около 30 МГц для радиоприемника КВ диапазона). При высокой первой ПЧ (более 35 МГц) фильтр НЧ подавляет частоты зеркального и прямого каналов. Однако в этом случае возрастают требования к линейности трактов УРЧ и преобразователя.
Появление высокостабильных синтезаторов частот, а также кварцевых и керамических фильтров с высокой прямоугольностью частотных характеристик и высокой избирательностью по побочным каналам приема привело к построению ВЧ тракта третьего вида. В этом широко распространенном варианте при перестройке приемника во всем диапазоне частот первая и вторая ПЧ остаются постоянными. При постоянной первой ПЧ основную селекцию можно обеспечить уже в тракте первой ПЧ при использовании современных высокочастотных кварцевых и монолитных фильтров, имеющих достаточно узкую полосу пропускания и хорошую прямоугольность АЧХ. Полоса пропускания фильтров в УПЧ1 выбирается исходя из ширины спектра принимаемого сигнала с учетом нестабильности частот несущей сигнала и гетеродина. Поскольку основная селективность обеспечивается в УПЧ1, задача последующих трактов – усилить принятый сигнал, что можно сделать с помощью обычных апериодических усилителей с соответствующей дополнительной низкочастотной фильтрацией.
При реализации этого варианта необходимы высокая стабильность частот и спектральная чистота напряжений гетеродинов. Кроме того, для обеспечения приема различных видов сигналов необходимо иметь в тракте первой ПЧ либо фильтры с переменной полосой пропускания, либо сменные фильтры с полосами пропускания, соответствующими различными видам принимаемых сигналов. В ряде РПрУ кварцевый фильтр в тракте первой ПЧ обеспечивает предварительную селекцию, его полоса пропускания выбирается по самому широкополосному принимаемому сигналу. Окончательная расфильтровка обеспечивается с помощью сменных фильтров в тракте второй ПЧ. Преселектор приемника с постоянными значениями первой и второй ПЧ может быть как перестраиваемым, так и фильтровым.