Устройства приема и обработки сигналов.

Федеральное агентство по образованию РФ

 

 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

 

 

Ответы на государственный экзамен по дисциплине «Радиотехника». Выпуска 2007/2008 уч. года.

 

 

УПОС

 

 

 

ТОМСК 2007

Основные вопросы по дисциплине «Устройства приема и обработки сигналов»

1. Представьте электрическую принципиальную схему входной цепи для настроенной антенны. Напишите формулы для определения резонансной частоты f₀, полосы пропускания П, резонансного коэффициента передачи К₀ и избирательности на частоте помехи f_пом= 2f₀ через элементы схемы (величины элементов схемы и сопротивление потерь контура считайте известными).

2. С какой целью в усилителе радиочастоты и усилителе промежуточной частоты применяются частотно-избирательные системы? Почему в диапазонных приемниках возникает необходимость перестройки избирательных систем преселектора?

3. При каких условиях можно считать, что состав выходного тока преобразователя частоты характеризуется выражением

f_k=± nf_r ± f_c ?

4. Перечислите виды искажений сигнала в линейном амплитудном детекторе, которые зависят от постоянной времени нагрузки детектора. Объясните причины их возникновения.

5. Рассчитать чувствительность приемника, если отношение сигнал/шум на выходе его линейной части должно быть равно 20дБ,а уровень шумов источника составляет 0.2 мкВ. Коэффициент шума приемника равен 5.

6. Представьте электрическую принципиальную схему входной цепи с емкостной связью с антенной. Укажите ее достоинства и недостатки. Объясните характер зависимости коэффициента усиления К₀ (f₀) и полосы пропускания П(f₀) при изменении частоты f₀ от f_{0 мин} до f_{0 макс}. Считайте, что эквивалент малоэффективной антенны представляет собой последовательное соединение емкости антенны С_а и эдс Е_А, входная цепь нагружена на бесконечно большое входное сопротивление полевого транзистора.

7. Перечислите виды и причины нелинейных искажений в усилителе радиочастоты радиоприемного устройства при воздействии помех. Какие параметры помех влияют на величину нелинейных искажений?

8. Сформулируйте необходимые условия для получения эффекта преобразования частоты. Докажите свои утверждения.

9. Нарисуйте форму сигнала на входе и выходе:

а) импульсного детектора;

б) пикового детектора,

если на их входы поступает немодулированная последовательность радиоимпульсов.

10. Как перевести импульсный детектор в режим пикового детектирования при сохранении величины К_д?

11. Когда возникает необходимость двойного преобразования частоты в приемниках? Какая из промежуточных частот f_пр1 или f_пр2 должна быть больше другой и почему?

12. Нарисуйте основные принципиальные схемы входных цепей для настроенной и ненастроенной антенн. Сформулируйте отличие в требованиях по входным цепям приемников КВ и УКВ диапазонов, учитывая эквивалентные схемы антенн.

13. Определите резонансный коэффициент усиления К₀ и полосу пропускания П_0,7 усилителя промежуточной частоты (УПЧ), состоящего из четырех каскадов (n=4) с одиночными настроенными контурами, если коэффициенты усиления и полосы пропускания отдельных каскадов соответственно равны:

К₀₁ = 5 П₁= 10 кГц

К₀₂ = 8 П₂= 10 кГц

К₀₃ = 10 П₃= 31,2 кГц

К₀₄ = 3 П₄= 31,2 кГц

Учтите, что функция расширения полосы пропускания УПЧ имеет следующие значения:

n
		1,56	1,96	2,3

 

14. Какие условия необходимо обеспечить для получения максимального коэффициента преобразования, если используется преобразующий элемент с квадратичной вольтамперной характеристикой при U>0? Поясните графически свои утверждения.

15. Каково отличие в принципе работы амплитудно-частотного (АЧД) и фазо-частотного (ФЧД) детекторов? Перечислите названия схем АЧД и ФЧД детекторов.

16. Почему возникает необходимость преобразования частоты в приемниках?

17. Представьте принципиальную схему входной цепи с индуктивной связью с антенной. Объясните характер зависимости резонансного коэффициента усиления К₀ (f₀) и ее полосы пропускания П (f₀) при изменении резонансной частоты f₀ в диапазоне f_{0 мин} – f_{0 макс} для f_а< f_{0 мин} и f_а > f_{о макс.} Считайте, что входная цепь нагружена на бесконечно большое входное сопротивление полевого транзистора. Чем определяется резонансная частота антенны?

18. Представьте принципиальную схему резонансного усилителя. Объясните влияние проводимости обратной связи (Y₁₂) на величину коэффициента усиления, ширину полосы пропускания и на форму амплитудночастотной характеристики.

19. Какие условия необходимо обеспечить для получения максимального коэффициента преобразования, если используется преобразующий элемент с линейной BAX при U>E_отс, E_отс>0? Поясните графически свои утверждения.

20. Объясните назначение элементов схемы последовательного диодного детектора амплитудно модулированных колебаний. Объясните влияние величины емкости нагрузки (включая случай отсутствия емкости) на коэффициент передачи линейного детектора.

21. Как изменяются характеристики супергетеродинного приемника при увеличении и при уменьшении промежуточной частоты, если число и добротность контуров в приемнике остаются неизменными?

22. Уровень атмосферных помех составляет 0,4 , космических –0.15 , промышленных –1 . Определить чувствительность приемника, работающего от внешней антенны с h_д = 2.5м и имеющего полосу пропускания 10 кГц. Превышение сигнала над шумами на выходе линейной части приемника составляет 26 дБ.

23. Почему в качестве входной цепи обычно используется одиночный колебательный контур? В каких случаях допустимо использование более сложных избирательных систем?

24. Представьте принципиальную схему усилителя радиочастоты (УРЧ) с двойным автотрансформаторным включением контура. Напишите формулу для определения резонансного коэффициента усиления через элементы схемы. Величины элементов схемы и сопротивление потерь контура считайте известными. Укажите возможные способы обеспечения требуемой полосы усиления. Запишите условия согласования усилителя с нагрузкой.

25. Как зависит коэффициент преобразования от величины напряжения гетеродина U_г, если идеальный преобразующий элемент (ПЭ) имеет квадратичную BAX при U > Е_отс; Е_отс>0; напряжение смещения, подаваемое на ПЭ, Е_см= 2Е_отс; амплитуда напряжения гетеродина изменяется от нуля до бесконечности? Поясните свои утверждения.

26. Представьте схему частотного детектора на настроенных связанных контурах. Объясните назначение элементов схемы. Нарисуйте детекторную характеристику.

27. Представьте структурную схему супергетеродинного приемника. Укажите, какими блоками обеспечивается избирательность по соседним каналам, по зеркальному каналу и на промежуточной частоте.

28. Как и почему различается чувствительность приемников в ДВ и КВ диапазонах?

29. Объясните зависимости чувствительности приемников от вида модуляции принимаемого сигнала.

30. Что такое чувствительность приемников и от чего она зависит?

31. Каковы отличия приемника радиоимпульсных сигналов системы измерения координат цели и приемника обнаружения радиоимпульсных сигналов?

32. Каковы особенности радиоприемного устройства, предназначенного для приема стереофонического УКВ-ЧМ вещания от приемника монофонического УКВ-ЧМ вещания?

33. Как и почему отличаются чувствительности приемников АМ и ЧМ сигналов?

34. Какие особенности должно имеет радиоприемное устройство, предназначенное для работы в составе системы передачи цифровой информации?

35. В структурной схеме приемника, изображенной на рисунке, предполагается реализация в фильтре (Ф) требуемой частотной избирательности, а желаемого усиления в усилителе низкой частоты (УНЧ).

Какие недостатки имеет приемник, построенный по предлагаемой структурной схеме?

36. Почему выбор промежуточной частоты ограничен сверху избирательностью по соседнему каналу, а снизу – избирательностью по паразитным каналам.

Устройства приема и обработки сигналов.

Вопрос 1: Представьте электрическую принципиальную схему входной цепи для настроенной антенны. Напишите формулы для определения резонансной частоты f₀, полосы пропускания П, резонансного коэффициента передачи К₀ и избирательности на частоте помехи f_пом= 2f₀ через элементы схемы (величины элементов схемы и сопротивление потерь контура считайте известными).

Входной цепью (ВЦ) называют часть приемного устройства, связывающую антенно-фидерную систему со входом первого каскада приемного устройства. Первым каскадом может быть усилитель радиочастоты, преобразователь, детектор и др. Входная цепь служит для обеспечения максимальной передачи мощности сигнала, максимального отношения мощности сигнала к мощности шумов и помех, обеспечения селекции сигнала при заданных параметрах антенного устройства. Обобщенная схема входной цепи:

В зависимости от вида антенны входные цепи классифицируют по следующим критериям: ВЦ при настроенной и ненастроенной антенне.

Ненастроенные антенны предназначены для работы с различными антеннами, имеющие комплексное внутреннее сопротивление, а параметры приемных устройств известны (бытовые вещательные приемники).

Настроенные антенны предназначены для работы с антенной, имеющей известное значение активного внутреннего сопротивления (профессиональная радиоаппаратура).

Схема одноконтурной ВЦ с трансформаторной связью с настроенной антенной (рис. 1) используется для радиоприемных устройств, работающих с фиксированной настройкой или имеющих незначительный коэффициент перекрытия по частоте. Данная схема ВЦ широко используется в коротковолновом диапазоне длин волн. Трансформатор используется как элемент согласования входной цепи с коаксиальной фидерной линией. Для устранения паразитной емкостной связи, нарушающей симметрию фидерной линии между индуктивностями связи и контура входной цепи, используется электростатический экран.

Рис. 1 - Эквивалентная схема входной цепи с настроенной антенной

Эквивалентная схема входной цепи с настроенной антенной показана на рис. 2, а. После пересчета сопротивления и емкости нагрузки в контур получим:

, (4.45)

где – емкость контура; (рис. 2, б).

Эквивалентная схема входной цепи представлена для случая согласования антенны с линией передачи (фидером) , где – волновое сопротивление фидера. Сопротивление катушки связи мало по сравнению с волновым сопротивлением .

Рис. 2 - Эквивалентная схема входной цепи с настроенной антенной

При работе с настроенной антенной обычно получают наибольшую передачу мощности при заданной полосе пропускания ( ). Селективность, как правило, незначительна. Режим бегущей волны в фидере обеспечивают согласованием его волнового сопротивления с входным сопротивлением приемника

(4.46)

на фиксированной частоте или на частоте .

Рассогласование, кроме потери мощности, приводит к появлению повторного сигнала на входе приемника, что создает искажения при приеме телевизионных сигналов и многоканальных широкополосных сообщений. Из (4.46) выражение для оптимального коэффициента связи будет

, (4.47)

где – условная добротность антенной цепи;

– добротность контура, нагруженного на выходе.

Поскольку в режиме согласования , эквивалентная добротность контура

, (4.48)

откуда

Максимальный коэффициент передачи, соответствующий оптимальной связи, с учетом сделанных допущений

, (4.49)

где резонансное сопротивление контура с учетом действия нагрузки

.

Связь с нагрузкой определяется выражением

. (4.50)

Подставив значение (4.50) в (4.49), получим выражение при заданной эквивалентной добротности:

. (4.51)

Эквивалентную добротность рассчитывают из условия обеспечения заданного ослабления на краях полосы пропускания [1]

.

Как видно из (4.51), при уменьшении эквивалентной добротности контура коэффициент передачи возрастает. Это объясняется тем, что при условии собственными потерями в контуре можно пренебречь и рассматривать его как идеальный трансформатор:

. (4.52)

Тогда, решаем нашу задачу, определим все недостающие параметры:

Должно выполняться условие согласования, также коэффициент включения должен быть согласован по входу и выходу. ; ; ; ; ; ; ;

 

 

Вопрос 2: С какой целью в усилителе радиочастоты и усилителе промежуточной частоты применяются частотно-избирательные системы? Почему в диапазонных приемниках возникает необходимость перестройки избирательных систем преселектора?

 

Чтобы обеспечить избирательность.

В усилителях радиочастоты наибольшее распространение получили базовые усилительные элементы на основе одиночных каскадов на биполярных и полевых транзисторах, выполненных на дискретных элементах или по интегральной технологии. Избирательные цепи, как правило, строятся на основе одиночного колебательного контура. До частот метрового диапазона длин волн используют колебательный контур с автотрансформаторным включением базового усилительного элемента. При сложности физической реализации заданного коэффициента включения используют трансформаторную или внутреннеемкостную связь с усилительным каскадом.

Усилители промежуточной частоты отличаются от усилителей радиочастоты наличием более сложных избирательных систем, обеспечивающих основную избирательность по соседнему каналу, и большим числом усилительных каскадов, обеспечивающих основное усиление сигнала. Структурные схемы усилителей промежуточной частоты строятся по принципу распределенной или сосредоточенной избирательности. При распределенной реализации в тракте УПЧ избирательность и усиление осуществляются с помощью поочередного каскадирования избирательных и усилительных звеньев, а при сосредоточенной – функция избирательности и усиления обеспечивается отдельными функциональными узлами – фильтром сосредоточенной селекции (ФСС) и многокаскадным апериодическим усилителем.

При построении УПЧ по схеме распределенной избирательности показатели и характеристики многокаскадных резонансных усилителей зависят от числа каскадов и типа избирательных систем.

К особенностям настройки супергетеродинного приемника относятся необходимость настройки преселектора на частоту принимаемого сигнала, а гетеродин настроить так, чтобы частота принимаемого сигнала преобразовалась в промежуточную частоту, соответствующую настройке усилителя промежуточной частоты. Частота гетеродина должна определяться формулой (2.1) и имеет вид

. (2.2).

В современных устройствах приема и обработки сигналов точная перестройка гетеродина достигается с помощью специальных схемно-конструктивных решений перестройки преселектора и гетеродина. Процедура перестройки называется сопряжением контуров.

Для обеспечения избирательности радиоприемных устройств по паразитным каналам приема необходим выбор схемы преселектора. Схема преселектора выбирается в зависимости от конкретных технических решений, определяемых следующими требованиями:

1. Избирательностью по зеркальному каналу. Чем выше избирательность, тем сложнее избирательная система преселектора или необходимо увеличить промежуточную частоту радиоприемного устройства.

2. Избирательностью по каналу прямого прохождения. Если избирательные системы не обеспечивают эффективное подавление сигналов на промежуточной частоте, то в схему преселектора вводят дополнительные заградительные фильтры, настроенные на промежуточную частоту.

3. Усиление сигнала до преобразователя частоты. Минимальное значение коэффициента усиления преселектора определяется требованием обеспечения необходимого отношения сигнал/шум. Максимальное значение коэффициента усиления преселектора определяется максимальным уровнем выходного сигнала, значение которого не должно влиять на режим работы преобразователя частоты.

Избирательность до первого нелинейного элемента (диода, варикапа, вариконда, электронной лампы, биполярного и полевого транзистора и др.). Эти требования увеличиваются при наличии сильных помех от расположенных поблизости мощных передатчиков, которые могут создать перекрестные помехи.

Настройка радиоприемного устройства осуществляется за счет синхронной перестройки избирательных систем преселектора и частоты гетеродина. Точность синхронной перестройки обеспечивается качеством сопряжения контуров преселектора и гетеродина.

 

 

Вопрос 3: При каких условиях можно считать, что состав выходного тока преобразователя частоты характеризуется выражением f_k=± nf_r± f_c?

 

Преобразователь частоты – это радиотехническое устройство, осуществляющее процесс переноса спектра радиосигнала из одной области радиочастотного диапазона в другую при сохранении структуры сигнала. В состав преобразователя входят: смеситель, гетеродин и нагрузка для сигнала промежуточной частоты. Процесс преобразования происходит в смесителе (шестиполюснике), содержащем нелинейный элемент, периодически изменяющий один из параметров (рис. 1). В качестве таких элементов используют транзисторы, лампы, варикапы и диоды.

Рис. 1 - Эквивалентная схема преобразователя частоты

Состав выходного тока преобразователя частоты характеризуется выражением: f_k=± nf_r ± f_c, при условии, что х арактеристика устройства должна быть нелинейна, чем больше нелинейность тем больше комбинаций и достаточный уровень напряжения U чтобы выйти на линейный участок характеристики. Коэффициенты должны быть совместимы. Uг>=20Uc – квазилинейный режим.

 

 

Вопрос 4: Перечислите виды искажений в линейном амплитудном детекторе, которые зависят от постоянной времени нагрузки детектора. Объясните причины их возникновения.

Рис 1 – Электрическая схема амплитудного детектора

Искажения при детектировании сигналов с АМ называют отклонения формы выходного напряжения от огибающей входных высокочастотных колебаний. Источники искажений при демодуляции АМ-сигналов могут быть следующими:

1. Нелинейные искажения, обусловленные инерционностью детектора. При модуляции, когда постоянная времени разряда велика, напряжение на нагрузке падает медленнее, чем огибающая . Форма напряжения отличается от огибающей , что соответствует появлению нелинейных искажений радиовещательного сообщения. Графически изображение появления нелинейных искажений сообщения из-за инерционности детектора проиллюстрировано на рисунке 2.

Рис 2 – Нелинейные искажения в диодном детекторе

 

2. Нелинейные искажения, обусловленные цепь. Развязки по постоянному току. Нелинейные искажения информационного сигнала могут возникать по причине значительного различия в величине нагрузки для постоянно тока диода и для составляющей звуковой частоты. В схеме детектора присутствует конденсатор , разделяющий цепь АД и входя и последующего усилителя по постоянной составляющей. При этом параллельно конденсатору и резистору нагрузки подключены соединенные последовательно и . В случае выбора большой емкости конденсатора и малого сопротивления резистора время разряда конденсаторов и возрастает. Это происходит из-за того, что заряд большой емкости через сопротивление источника сигнала (высокое сопротивление предыдущего каскада), открытый диод и резистор будет происходить быстрее через сопротивление нагрузки и резистор . Уменьшение скорости разряда конденсаторов и может привести к нелинейным искажениям радиовещательного сообщения.

3. Линейные искажения. Вследствие инерционности нагрузки детектора возможны и линейные искажения, так как ее полное сопротивление падает при увеличении модулирующей частоты. При неизменном внутреннем сопротивлении детектора это приводит к уменьшению коэффициента передачи АД. Линейные искажения в реальных условиях малы, если постоянная времени нагрузки выбрана в соответствии с условием .

 

 

Вопрос 5: Рассчитать чувствительность приемника, если отношение сигнал/шум на выходе его линейной части должно быть равно 20дБ, а уровень шумов источника составляет 0.2 мкВ. Коэффициент шума приемника равен 5.

;

;

.

Решение:

- коэффициент шума приемника;

Выразим отсюда чувствительность приемника:

Отсюда получим:

 

Вопрос 6: Представьте электрическую принципиальную схему входной цепи с емкостной связью с антенной. Укажите ее достоинства и недостатки. Объясните характер зависимости коэффициента усиления К0 (f0) и полосы пропускания П(f0) при изменении частоты f0 от f0 мин до f0 макс. Считайте, что эквивалент малоэффективной антенны представляет собой последовательное соединение емкости антенны Са и эдс ЕА, входная цепь нагружена на бесконечно большое входное сопротивление полевого транзистора.

 

Достоинство данной схемы состоит в том, что она очень простая.

Недостатки:

· Емкость конденсатора связи Ссв с антенной должна быть маленькой, чтобы в параллельный контур не вносилось Са

· Частотно зависимый коэффициент передачи, его большая неравномерность.

Представим зависимости коэффициента усиления и полосы пропускания от частоты:

 

Вопрос 7: Перечислите виды и причины нелинейных искажений в усилителе радиочастоты радиоприемного устройства при воздействии помех. Какие параметры помех влияют на величину нелинейных искажений?

В связи с использованием усилительных приборов: ламп, транзисторов (полевых и биполярных) др., обладающих нелинейными характеристиками, возникают нелинейные искажения. Основная причина их возникновения - воздействие уровня сигнала (помех) обусловленные внешними и внутренними помехами.

Из наиболее распространенных выделяются:

1. Сжатие (десжатие). Непропорциональное изменение полезного выходного сигнала несущей частоты от его амплитуды на входе. Выходной сигнал определяется выражением:

,

где K₁ – линейный коэффициент передачи;

K_сж – коэффициент сжатия передачи;

U_вх – амплитуда входного сигнала.

,

2. Блокирование (деблокирование). Изменение амплитуды несущей сигнала на выходе линейного тракта приемника под действием немодулированной помехи. Уменьшение (блокирование), увеличение (деблокирование). Частота помехи, как правило, находится вне полосы спектра полезного сигнала.

,

где ,

3. Перекрестные искажения. Перенос огибающей (модуляции) помехи на полезный сигнал.

,

где M – коэффициент перекрестной модуляции ,

m – глубина перекрестной модуляции.

4. Амплитудно-фазовая конверсия (собственная, перекрестная). Изменение фазы выходного полезного сигнала, обусловленной входной амплитудой полезного (собственная) или мешающего (перекрестная) сигналов.

,

5. Интермодуляционные искажения. Прием двух и более сигналов, комбинации которых равны гармоническим составляющим полезного сигнала.

2-го порядка;

3-го порядка.

6.Вторичная модуляция. Возникновение паразитной модуляции по цепям источника питания приемного устройства, обусловленной недостаточной фильтрацией тока переменной частота. Например, 50 Гц сети переменного тока.

 

 

Вопрос 8: Сформулируйте необходимые условия для получения эффекта преобразования частоты. Докажите свои утверждения.

 

Эффект преобразования частоты заключается в том, что преобразователь частоты линейно переносит спектр радиосигнала с одной несущей частоты на другую частоту, называемую промежуточной. Промежуточная частота ниже частоты сигнала.

Рис. 1 – Напряжения на входе и выходе преобразователя частоты

 

Преобразование частоты позволяет с помощью двух напряжений частот и получить напряжение с частотой или . Это преобразование частоты находит широкое применение.

Рассмотрим процесс преобразования частоты с помощью нелинейного элемента.

На преобразователь частоты действует сумма 2-х напряжений: напряжение сигнала , и напряжение гетеродина, с помощью которого осуществляется перенос частоты сигнала .

.

Ток, протекающий через нелинейный элемент, определится соотношением:

.

Продукты преобразования содержатся только в слагаемом:

.

 

Кроме этого, в цепи нелинейного элемента имеются колебания частот , , и др. С помощью фильтра (колебательного контура), являющегося нагрузкой преобразователя, из всех этих колебаний, выделяются колебания суммарной или разностной частоты. Для этого колебательный контур должен быть настроен на сумму или разность частот.

Если амплитуда напряжения сигнала модулируется по закону , то амплитуда результирующего сигнала также будет изменяться по закону:

При этом весь спектр напряжения сигнала, его несущая и боковые частоты, переносится на суммарную или разностную частоту. Если напряжение сигнала мало, можно получить достаточно большую амплитуду преобразованного сигнала, использовав колебания гетеродина с большой амплитудой. Так обычно и происходит в реальных преобразователях сигналов. В этом случае, если преобразователь частоты используется с отдельным гетеродином, он носит название смесителя. Сместители очень широко применяются в радиоэлектронных устройствах.

Наиболее эффективно в преобразователях частоты используются полевые транзисторы, характеристика которых очень близка к квадратичной, что позволяет получить очень малый уровень дополнительных продуктов преобразования.

Таким образом, условия получения эффекта преобразования частоты следующие:

1. Для осуществления преобразования частоты необходимо использование нелинейного элемента.

2. Так как амплитуда суммарной или разностной частоты пропорциональна произведению , , целесообразно устанавливать амплитуду вспомогательного колебания значительно большей, что приводит к росту амплитуды результирующих колебаний.

 

 

Вопрос 9: Нарисуйте форму сигнала на входе и выходе: а) импульсного детектора; б) пикового детектора.

а) импульсный детектор:

предназначен выделения огибающей одиночного радиоимпульса

б) пиковый детектор:

предназначен для выделения огибающей последовательности радиоимпульсов

 

Вопрос 10: Как перевести импульсный детектор в режим пикового детектирования при сохранении величины К_д?

 

Отличие импульсного детектора от пикового заключается в том, что они имеют разные постоянные времени цепи:

Для импульсного детектора: _ц=RC~t_уст

Для пикового детектора: _ц=RC~T_п

Сохранение величины К_д означает, что R=const, а, значит, мы должны поменять емкость С пропорционально отношению t_уст/T_п

Т.е С_пик=С_импT_п/t_уст

 

 

Вопрос 11: Когда возникает необходимость двойного преобразования частоты в приемниках? Какая из промежуточных частот f_пр1 или f_пр2 должна быть больше другой и почему?

В начале скажем, почему необходимо, в принципе преобразование частоты.

Избирательная цепь, обеспечивающая избирательность по соседнему каналу, имеет добротность, которая описывается по следующей формуле:

Т.к. полоса не меняется, а частота сигнала большая, то мы получаем физически нереализуемую добротность нашего контура. А если задаваться реальной добротностью (порядка 80…100), то получается, что и частота наша будем меньше.

Промежуточную частоту мы выбираем из следующих соображений:

Максимальная промежуточная частота определяется из критерия обеспечения избирательности по зеркальному каналу, а минимальная – из критерия обеспечения избирательности по соседнему каналу. В итоге мы получаем так называемую «вилку» частот:

Если же условие вилки не выполняется (f_{пр min}>f_{пр max}), то нам необходимо применить двойное преобразование частоты.

Как же должны соотноситься между собой частоты f_пр1 и f_пр2?

f_пр1 должна быть больше, чем f_пр2. Т.к. первым преобразованием частоты мы будем обеспечивать избирательность по зеркальному каналу, который отстоит от f_c на 2 f_пр1. А уже второе преобразование обеспечивает избирательность по соседнему каналу. И эта f_пр2 должна быть небольшой.

 

 

Вопрос 12: Нарисуйте основные принципиальные схемы входных цепей для настроенной и ненастроенной антенн. Сформулируйте отличие в требованиях по входным цепям приемников КВ и УКВ диапазонов, учитывая эквивалентные схемы антенн.

Ненастроенная антенна

Схема входной цепи с непосредственной связью с антенной и индуктивной связью с транзистором	Схема входной цепи с непосредственной связью с магнитной антенной и внутриемкостной связью с транзистором
Схема входной цепи с внешнеемкостной связью с антенной и внутриемкостной связью с транзистором	Схема входной цепи с внутриемкостной связью с антенной и индуктивной связью с транзистором
Схема входной цепи с индуктивной связью с антенной и транзистором	Схема входной цепи с комбинированной связью с антенной и индуктивной связью с транзистором

Настроенная антенна

Схема входной цепи с индуктивной (трансформаторной) связью с настроенной антенной

Схема входной цепи с автотрансформаторной связью с настроенной антенной и транзистором

Схема входной цепи с внутриемкостной связью с настроенной антенной и входом УРЧ

Нарисуем теперь эквивалентные схемы ненастроенной и настроенной антенн:

Для входных цепей УКВ и КВ диапазона имеются следующие отличия в требованиях ко входным цепям:

В УКВ должно быть согласование ВЦ с нагрузкой. Это согласование осуществляется либо частичным включением, либо должна быть трансформаторная связь

Вопрос 13: Определите резонансный коэффициент усиления К₀ и полосу пропускания П_0,7 усилителя промежуточной частоты (УПЧ), состоящего из четырех каскадов (n=4) с одиночными настроенными контурами, если коэффициенты усиления и полосы пропускания отдельных каскадов соответственно равны:

К₀₁ = 5 П₁= 10 кГц

К₀₂ = 8 П₂= 10 кГц

К₀₃ = 10 П₃= 31,2 кГц

К₀₄ = 3 П₄= 31,2 кГц

Учтите, что функция расширения полосы пропускания УПЧ имеет следующие значения:

n
		1,56	1,96	2,3

 

Решение: Для начала определим резонансный коэффициент усиление K₀:

Получаем:

Для определения полосы пропускания 4-х контуров, выполним некоторое преобразование. Объединим 1 со 2 и 3 и 4 контура, для наглядности изобразим.

Полоса пропускания парных контуров, т.е. 5 и 6 уменьшится в раз. Рассчитаем полосы этих парных контуров:

так как контуров 2, то n = 2.

Соответственно и для :

Теперь можно определить и :

.

 

 

Вопрос 14: Какие условия необходимо обеспечить для получения максимального коэффициента преобразования, если используется преобразующий элемент с квадратичной вольтамперной характеристикой при U>0? Поясните графически свои утверждения.

 

Для начала дадим определение для коэффициента преобразования.

Коэффициент преобразования – это преобразование крутизны на эффективное сопротивление.

 

Изобразим квадратурную вольтамперную характеристику при U > 0:

Для обеспечения максимального коэффициент преобразования необходимо максимальное изменение крутизны S, чтобы захватить весь квадратичный участок. Для максимального изменения крутизны нужно выбрать рабочею точку (РТ, Есм) и сигнал, который бы охватывал характеристику амплитудой Uг.

 

 

Вопрос 15: Каково отличие в принципе работы амплитудно-частотного (АЧД) и фазо-частотного (ФЧД) детекторов? Перечислите названия схем АЧД и ФЧД детекторов.

 

Принцип частотного детектирования состоит в преобразовании сигнала с частотной модуляцией в линейной системе в колебания с другим видом модуляции. В последующем осуществляется детектирование преобразованного колебания безынерционной нелинейной цепью. В зависимости от принципа действия различают:

частотно-амплитудные детекторы, в которых осуществляется преобразование колебаний с частотной модуляцией в колебания с амплитудной модуляцией с последующим амплитудным детектированием;

частотно-фазовые детекторы, в которых осуществляется преобразование колебаний с частотной модуляцией в колебания с фазовой модуляцией (ФМ) с последующим фазовым детектированием.

Другими словами основное отличие – это информативность.

Примеры:

АЧД: а) последовательная;

б) параллельная;

в) на диодах;

г) на транзисторах;

д) детекторы отношений.

ФЧД: а) векторометрическая (на основе векторов);

б) параметрическая.

 

 

Вопрос 16: Почему возникает необходимость преобразования частоты в приемниках?

 

В супергетеродинном приемнике в преобразователе частоты спектр принимаемого сигнала переносится на сигнал промежуточной частоты f_ПР: f_ПР=f_Г – f_C.

Усилитель промежуточной частоты УПЧ в приемнике выполняет две функции: обеспечивает необходимую чувствительность и требуемую избирательность по соседнему каналу. Это легко реализуется на фиксированной и достаточно низкой промежуточной частоте. Величина промежуточной частоты для трактов АМ радиовещательных приемников составляет465кГц, для трактов ЧМ – 10,7МГц. Необходимость использования преобразователя частоты упрощает точную настройку на принимаемую станцию в диапазоне рабочих частот и обеспечивает удовлетворительную селективность по соседнему каналу на f_ПР с помощью фильтра сосредоточенной селекции (ФСС).

Преимущество использования супергетеродинного приемника заключается в следующем:

1. Усиление сигналов на пониженной промежуточной частоте упрощает реализацию коэффициента усиления при приеме КВ, УКВ и СВЧ длин волн.

2. Понижение частоты обработки сигналов позволяет получить высокие избирательные параметры по отношению к соседнему каналу.

3. Благодаря фиксированной настройке УПЧ не нуждается в регулируемых элементах, чем значительно упрощается конструкция.

4. Селективные свойства радиоприемника не изменяются при настройке его на различные волны диапазона и переключении на другие диапазоны длин волн.

5. Усиление радиосигнала на различных частотах значительно снижает опасность возникновения паразитных обратных связей между выходными и входными устройствами. Это также позволяет упростить конструкцию радиоприемника в целом.

6. Значительно упрощается осуществление различных автоматических и ручных регулировок в радиоприемнике – полосы пропускания и избирательности, усиления, частоты и др.

 

 

Вопрос №17: Представьте принципиальную схему входной цепи с индуктивной связью с антенной. Объясните характер зависимости резонансного коэффициента усиления К₀ (f₀) и ее полосы пропускания П (f₀) при изменении резонансной частоты f₀ в диапазоне f_{0 мин} – f_{0 макс} для f_а< f_{0 мин} и f_а > f_{о макс.} Считайте, что входная цепь нагружена на бесконечно большое входное сопротивление полевого транзистора. Чем определяется резонансная частота антенны?

Входные цепи диапазонных радиоприемных устройств используют ненастроенную антенну, т.е. резонансная частота антенной цепи лежит вне диапазона рабочих частот, поэтому далее приведена схема и представлен анализ входной цепи с ненастроенной антенной.

Рис.1 - Схема входной цепи с индуктивной связью с антенной.

 

Индуктивная связь входной цепи с антенной (рис.1) может работать в режиме удлинения, когда резонансная частота антенной цепи меньше минимальной частоты (f_a < f_c), т.е. или в режиме укорочения, когда резонансная частота антенной цепи больше максимальной частоты рабочего диапазона (f_a > f_c), т.е . В большинстве случаев, когда необходимо обеспечить минимальную зависимость резонансного коэффициента передачи от частоты настройки, используют режим удлинения.

Рис. 2 Зависимости резонансного коэффициента передачи входной цепи с индуктивной связью с антенной в режиме удлинения (а) и укорочения (б)

По мере приближения к резонансу вносимое сопротивление увеличивается и полоса пропускания расширяется.

 

 

Вопрос 18: Представьте принципиальную схему резонансного усилителя. Объясните влияние проводимости обратной связи (Y₁₂) на величину коэффициента усиления, ширину полосы пропускания и на форму амплитудночастотной характеристики.

 

Принципиальную схему резонансного усилителя.

Здесь Свх и Свых – обычные разделительные конденсаторы, R1 и R2 – резисторы базовой цепи, Rэ и Сэ – элементы обратной связи по постоянному току (для термостабилизации), Rк – сопротивление коллектора и Lконт и Сконт – элементы резонансного контура.

Коэффициент усиления резонансного усилителя:

Проводимость обратной связи: Y₁₂=wCк отрицательная обратная связь, что приводит к уменьшению коэффициента усиления, увеличению ширины полосы пропускания, расширение АЧХ.

 

 

Вопрос 19: Какие условия необходимо обеспечить для получения максимального коэффициента преобразования, если используется преобразующий элемент с линейной BAX при U>E_отс, E_отс>0? Поясните графически свои утверждения.

Изобразим линейную характеристику ВАХ.

Сразу из рисунка видно, что для получения максимального коэффициента преобразования, необходимо выполнения условия:

1.напрежение смещения должно равно быть напряжению отсечки.

Построим производную функции ВАХ:

Вторым условием будет; надо обязательно, чтобы Uг было намного больше Uc(Uг>>Uc) для эффекта преобразования.

Вопрос 20: Объясните назначение элементов схемы последовательного диодного детектора амплитудно модулированных колебаний. Объясните влияние величины емкости нагрузки (включая случай отсутствия емкости) на коэффициент передачи линейного детектора.

Электрическая принципиальная схема последовательного детектора сигналов с амплитудной модуляцией представлена на рисунке 1:

Рис 1 Электрическая принципиальная схема последовательного

детектора сигналов с амплитудной модуляцией

Принцип работы детектора заключается в следующем:

На вход детектора поступает модулированный сигнал высокой частоты. Продетектированный сигнал выделяется при нагрузке Rн, Сн, затем через Ср поступает на вход следующего каскада Rсл.

При использовании в качестве детектора нелинейный элемент (диод), на вход которого действует сигнал,

(1)

Вследствие нелинейности НЭ входной и выходной токи представляют постоянной и гармонических составляющих.

Постоянная составляющая выходного тока повторяет знаки модулированного сигнала:

(2)

Поскольку его величина прямо пропорциональна огибающей входного сигнала, такой режим такой режим детектирования называют линейным.

Напряжение сигнала постоянной составляющей и закон модуляции выделяется на нагрузке детектора и имеет вид:

(3)

Роль линейного фильтра низких частот RC состоит в выделении низкочастотной составляющей и в подавлении высокочастотных составляющих тока через нелинейный элемент. Постоянная времени цепи нагрузки детектора должна быть:

(4)

При отсутствии С_Н не будет выделение огибающей модулируемого сигнала, т.к. токи несущего колебания и его гармоники не будут замыкаться через конденсатор С_Н, вызывая падение напряжения на сопротивлении R_Н. Правая часть выражения (4) обусловлена тем, чтобы низкочастотное напряжение на нагрузке успевало следовать за изменением огибающей АМК. Если постоянная времени цепи нагрузки слишком велика, возникают характерные искажения продедектированного напряжения, приводящие к появлению сильных нелинейных искажений.

Эффективность детектирования (коэффициента передачи) определяется выражением:

(5)

Для немодулированного сигнала:

Для АМ – сигнала: , где m – коэффициент модуляции;

 

Вопрос 21: Как изменяются характеристики супергетеродинного приемника при увеличении и при уменьшении промежуточной частоты, если число и добротность контуров в приемнике остаются неизменными?

Основной принцип работы супергетеродинных радиоприемных устройств состоит в переносе спектра принимаемого радиосигнала из одной области радиочастот в другую. Этим достигается возможность физической реализуемости избирательности и усиления принимаемого полезного сигнала на разностной частоте, образованной за счет биений между частотой гетеродина (отдельного генератора) и принимаемого сигнала (рис.1).

Рис. 1 Структурная схема супергетеродинного устройства приема и обработки сигналов с одним преобразованием частоты

Супергетеродинные устройства обладают высокой чувствительностью и селективностью, поскольку основное усиление осуществляется на промежуточной частоте. В состав супергетеродинного радиоприемника входят: преселектор, смеситель (СМ), гетеродин (Г), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), детектор и усилитель низкой частоты.

Выбор высокой промежуточной частоты облегчает подавления помех на зеркальной частоте при упрощенной схеме преселектора, но ведет к усложнению конструкции усилителя промежуточной частоты. К рекомендации по выбору промежуточной частоты следует отнести выбор ее значения вне диапазона частот принимаемых сигналов.

При невозможности технической реализации необходимой избирательности по соседнему каналу необходимо использовать двойное или тройное преобразование частоты.

Для повышения чувствительности и селективности устройств приема и обработки сигналов применяются двойные (рис.2) или даже тройные преобразования частоты.

Рис. 2 Структурная схема супергетеродинного устройства приема и обработки сигналов с двойным преобразованием частоты

С изменением промежуточной частоты изменяются избирательные свойства приёмника.

При увеличении промежуточной частоты избирательность по соседнему каналу ухудшется, но в это же время улучшится по прямому и по зеркальному каналам (´_зерк > _зерк; ´_coc < _coc), при этом Q = const; .

При уменьшении промежуточной частоты избирательность по соседнему каналу и по прямому улучшится, а по зеркальному ухудшится.

 

 

Вопрос 22: Уровень атмосферных помех составляет 0,4 , космических –0.15 , промышленных –1 . Определить чувствительность приемника, работающего от внешней антенны с h_д = 2.5м и имеющего полосу пропускания 10 кГц. Превышение сигнала над шумами на выходе линейной части приемника составляет 26 дБ.

Дано: Решение:

Е_{П АТМ} = 1. По условию задачи, величины уровней помех указанны в .

Е_{П КОСМ} = Произведем пересчет, учитывая, что полоса пропускания дана П_ПР = 10 кГц.

Е_{П ПРОМ} = Т.е. величины будут в раз больше.

h_д = 2.5 м ;

П_ПР = 10 кГц ;

.

2. Определим шумовую полосу РПУ:

Найти: .

Е – ? 3. Определим суммарное значение э.д.с. помех, наводимых в антенне:

4. Теперь определим уровень внешних помех, наводимых в согласованной антенне, который определяется выражением (пороговая чувствительность):

.

5. Теперь определим реальную чувствительность для настроенной антенны:

.

 

Вопрос 23: Почему в качестве входной цепи обычно используется одиночный колебательный контур? В каких случаях допустимо использование более сложных избирательных систем?

 

Входной цепью (ВЦ) называют часть радиоприемника, нахо­дящу