Характеристики радиоприемных устройств
РАДИО
ПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
Под редакцией проф. А. П. Жуковского
Допущено
Государственным комитетом СССР по народному образованию вкачестве учебного пособия для студентов радиотехнических специальностей вузов
Москва „Высшая школа" 1989
ББК 32.849
Р 15 УДК 621.396.7
Рецензенты: кафедра радиоприемных устройств Ленинградского электротехнического института им. В. И. Ульянова (Ленина) (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. С. И. Бычков); кафедра радиотехнических устройств Рязанского радиотехнического института (зав. кафедрой д-р техн.. наук, проф. Ю. И. Судаков)
ISBN 5—06—001328—6
Издательство «Высшая Школа», 1989
ПРЕДИСЛОВИЕ
XXVII съезд КПСС разработал стратегию ускорения социально-экономического развития страны. Главным рычагом интенсификации народного хозяйства становится' кардинальное ускорение научно-технического прогресса, широкое внедрение техники новых поколений, принципиально новых технологий, обеспечивающих наивысшую производительность и эффективность. При этом приоритетное развитие получают подлинные катализаторы ускорения научно-технического процесса — микроэлектроника, вычислительная техника, приборостроение, индустрия информатики. В документах съезда подчеркивается, что поставлена задача электронизации производства, в том числе приборов, систем, машин, оборудования и другой техники.
Радио и оптические приемные устройства различного назначения очень широко используются в народном хозяйстве и быту.
В настоящей книге с единых позиций рассматриваются теоретические основы и принципы построения радио и оптических приемных устройств, которые применяются в радиолокации, радионавигации, радиоуправлении, радиотелеметрии, радиосвязи и других областях народного хозяйства.
В современных радиосистемах радиоприемные устройства наряду с традиционныыи задачами усиления, избирательности, преобразования по частоте, детектирования выполняют также более широкие задачи по обнаружению и различению полезного сигнала среди помех, оценке параметров сигнала и сообщений, закоди-
рованных в сигнале, разрешению нескольких сигналов и др.
Все указанные задачи осуществляются как оптимальным построением высокочастотных трактов приемника, так и оптимальными методами радиоприема (демодуляции) сигналов. Поэтому в учебном пособии большое внимание уделяется вопросам помехоустойчивости радиоприемных устройств.
В книге выделено три раздела, которые соответствуют общей структуре программы курса «Радиоприемные устройства».
В первом разделе приводятся общие сведения о структурах и показателях качества радиоприемных устройств, а также описываются сигналы и помехи, воздействующие на вход приемника.
Во втором разделе рассматриваются основные узлы и блоки радиоприемного устройства: входные устройства, включающие входные цепи и усилители радиочастоты, в том числе малошумящие усилители; преобразователи частоты; интегральные приемные СВЧ-модули; основные типы усилителей промежуточной частоты; детекторы сигналов: амплитудные, частотные, фазовые; устройства автоматических регулировок усиления, частоты и фазы сигнала в приемнике.
В третьем разделе излагаются основы статистической теории радиоприема и описываются структуры приемных устройств. Рассматривается статистический структурный синтез оптимальных радиоприемных устройств в задачах обнаружения и
различении сигналов,оптимальной опенкипараметров сигнала инелинейной фильтрации сообщений. Приводятся типовые структуры и характеристики оптимальных, квазиоптимальных и неоптимальных радиоприемных устройств применительно к основным видам модулированных сигналов: импульсным, в том числе сложным, импульсным аналоговым, дискретным, непрерывным. Отдельно описываются приемные устройства оптических сигналов, их структуры и особенности техники приема.
Книга заканчивается изложением современных методов математического и цифрового моделирования радиоприемных устройств.
Учебное пособие написано авторским коллективом кафедры «Радиоприемные устройства» Московского авиационного института им. Серго Орджоникидзе на основе лекций, читаемых в последние 10 лет.
Работа между авторами распределена следующим образом: предисло-
вие, заключение. г.|. 1, 10, 15,§2.1,2.2 написаны А. П. Жуковским; гл. 3, 16—Ю. Т. Давыдовым; гл. 7 (кроме § 7.5), 8, 9, §2.3- 2.6, 5.1, 5.2-А. С. Протопоповым; гл. 4, 6, §5.4, 5.6 Ю. С. Даничем; § 5.3, 5.5, 7.5 — А. С. Протопоповым и Ю. С. Даничем; гл. 11, 17— В. В. Цветковым; гл. 12—14 — Ю. С. Захаровым.
Авторы признательны коллективам кафедр радиотехнических устройств РРТИ (зав. кафедрой проф. Ю. И. Судаков) и радиоприемных устройств ЛЭТИ (зав. кафедрой проф. С. И. Бычков) за ценные замечания и пожелания, высказанные ими при рецензировании рукописи.
Авторы с благодарностью примут все замечания и пожелания, направленные на улучшение содержания учебного пособия, которые просят направлять по адресу: Москва, ГСП-4, Неглинная ул., 29/14, издательство «Высшая школа».
Общие
характеристики радиоприемных устройств.
Сигналы и помехи
ГЛАВА1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВАХ
§ 1.1. Радиоприемное устройство как составная часть радиосистемы
Техническую систему, в которой основные операции выполняются радиоэлектронными средствами, называют ■ радиосистемой. Составными частями радиосистемы являются радиопередающие, радиоприемные, ан-тенно-фидерные, электронно-вычислительные и другие устройства. Рассмотрим, какое место в радиосистемах занимают радиоприемные устройства. Для этого все современные радиосистемы разделим по информационному назначению на следующие классы [ 12I:
1) передачи информации;
2) извлечения информации;
3) противодействия передаче или извлечению информации.
К первому классу принадлежат радиосистемы, предназначенные для передачи информации (сообщения) к {() из одних пунктов пространства в другие. Форма информации может иметь различную физическую природу (речь, музыка, оптическое изображение, цифры температура, давле-
ние; вибрации ит. д.). Функциональная схема радиосистемы передачи информации изображена на рис. 1.1. Первичная информация к (t) с помощью электрофизического преобразователя информации (ЭФПИ) преобразуется в электрический сигнал «,, который кодируется в сигнал и.г для повышения помехоустойчивости. В передатчике (Прд) осуществляются модуляция закодированным сообщением и2 несущего колебания и излучение передающей антенной А радиосигнала ы3. Электромагнитные волны /:4 проходят через канал распространения и улавливаются приемной антенной А', преобразуясь в электрические сигналы «з на входе и «г на выходе приемника (Прм), декодируются в сигнал и[ и обратным ЭФПИ представляются в форме к' (t), необходимой для потребителя информации. Таким образом, радиоприемное устройство состоит из приемной антенны, радиоприемника, декодера и обратного ЭФПИ (оконечного устройства: динамика, кинескопа, электроннолучевой трубки и др.). В ряде случаев обратный ЭФПИ представля-
ет собой ЭВМ и является самостоятельным устройством, а в обычных радиовещательных и телевизионных системах кодер и декодер отсутствуют.
Характерным для радиосистем передачи информации любого назначения (связных, телеметрических, вещательных, телевизионных, командных) является пространственное разнесение радиопередающего и радиоприемного устройств.
При работе радиоприемного устройства в идеальных условиях выделя-лялась бы информация X' (t), пропорциональная первичной информации к (t). Однако в тракте радиосисте-
мы могут присутствовать помехи, воздействующие на передатчик, антенну, канал и непосредственно на вход приемной антенны. Это приводит к искажениям при воспроизведении информации к' (t) в приемном устройстве.
Ко второму классу относятся радиосистемы, в которых информация при излучении электромагнитных колебаний не передается, а образуется в результате облучения исследуемого объекта. Источником информации об объекте (его координатах, скорости, дальности) является отраженный от него сигнал, улавливаемый радиоприемным устройством. Типичными
представителями такого класса являются однопозиционные (Прд и Прм пространственно совмещены, рис. 1.2, а) и двухпозиционные (Прд и Прм пространственно разнесены, рис. 1.2, б) активные радиолокационные системы. К системам извлечения информации относятся также так называемые пассивные радиосистемы, когда радиопередатчик вообще отсутствует, а информация извлекается радиоприемным устройством от каких-либо естественных источников электромагнитных колебаний (рис. 1.3). Приемники сигналов радиотепловых источников, называемые радиометрами, используют в пассивной локации, астрономии, технике измерений и т. д.
На весь тракт подобных радиосистем также воздействуют помехи естественного и искусственного происхождения, что приводит к искажениям при извлечении информации в радиоприемном устройстве.
Третий класс радиосистем предназначен для создания организованных радиопомех радиосистемам передачи или извлечения информации. Радиоприемное устройство используется здесь для воспроизведения сигналов подавляемой радиосистемы с последующим умышленным искажением сигнала и переизлучением в сторону подавляемой станции.
Во всех рассмотренных классах радиосистем радиоприемное устройство является одной из основных составных частей каждой конкретной системы, а в пассивных системах — единственным радиотехническим устройством.
Радиоприемным устройством называют систему узлов и блоков, с помощью которых производятся следующие операции:
преобразование электромагнитного поля сигнала (помех) в электрический сигнал и обеспечение пространственной и поляризационной избирательности полезного радиосигнала с помощью приемной антенны:
выделение полезных радиосигналов из совокупности других (мешаю-
Рис. 1.3
щих) сигналов и помех, действующи на выходе приемной антенны и не coi падающих по частоте с полезным си: налом. Эта операция называете фильтрацией по частоте и осущ ствляется частотно-избирательным устройствами;
усиление принимаемых сигналов целью обеспечения качественной р, боты демодулятора, декодера, схе защиты приемника от помех и обра ного ЭФПИ (решающего или испо, нительного устройства);
демодуляция принятого сигнала целью выделения информации (мод лирующей функции), содержащее в полезном радиосигнале;
обработка принимаемых сигнале с целью ослабления мешающего во действия помех искусственного и е тественного происхождения. Подо ная операция предусматривает введ ние в приемник средств помехоз щиты и эффективную обработку си налов и помех, при которой достиг ется наилучшее обнаружение сигн лов или оценка принятой информ ции (сообщения) по какому-либо кр терию оптимальности приемника в с ответствии с целевым содержанж решаемой практической задачи.
Во всех рассмотренных радиоси темах информация, необходимая получателю, отображается в пар метрах радиосигнала на входе р диоприемного устройства. Поэто! все основные операции, связанные пространственной и частотной изб рательностью полезного радиосигн ла, его усилением, демодуляцией обработкой, могут решаться на с нове единой теории анализа и синл за приемных трактов и одинаков! принципов их схемотехнической ре лизации.
§ 1.2. Структурные схемы радиоприемников
Существуют четыре основные структурные схемы радиоприемников: прямого усиления без регенерации, прямого усиления с регенерацией, сверхрегенеративная и супергетеродинная.
Структурная схема приемника прямого усиления без регенерации (рис. 1.4) включает входную цепь (ВЦ), малошумящий усилитель (МШУ), усилитель радиочастоты (УРЧ), демодулятор (Д), усилитель низкой частоты (УНЧ) и оконечное устройство (ОУ). Из приемной антенны (А) напряжение сигнала и помехи поступает во входную цепь, назначение которой согласование выхода антенны с МШУ (или УРЧ) для получения максимальной мощности сигнала из антенны, а также обеспечения возможно большей фильтрации сигнала от помех до входа УРЧ. Ма-лошумящие усилители (используемые при необходимости) предназначены для снижения уровня собственных шумов приемника и определяют чувствительность приемников (см. § 1.3). УРЧ является основным блоком, обеспечивающим усиление и фильтрацию сигнала по частоте от помех. Уровень его усиления определяется напряжением на выходе ВЦ (или МШУ) и той величиной сигнала, который требуется для нормальной работы демодулятора. Выделенная после демодулятора Д модулирующая функция, содержащая полезную информацию, усиливается и фильтруется от помех и других комбинационных частот в усилителе низкой частоты. Его усиление определяется напряжением (мощностью), которые необходимо подвести к оконечному устройству для его нормальной работы.
Приемники прямого усиления применяют тогда, когда исходные требования к чувствительности и избирательности (см. §. 1.3) невелики. Для повышения чувствительности в диапазоне СВЧ применяют МШУ, а для повышения избирательности — сложные частотно-избирательные системы. И все же подобная структура приемника в диапазоне СВЧ, как правило, имеет невысокую и неодинаковую частотную избирательность и усиление при работе в широком диапазоне частот. Настройка на полезный сигнал осуществляется перестройкой по частоте входной цени, МШУ и УРЧ. Синхронная перестройка по частоте всех этих блоков является непростой задачей. В диапазоне СВЧ технически трудно согласовать полосы пропускания приемника с шириной спектра полезного сигнала для фильтрации последнего от помех, несовпадающих по частоте с сигналом. Указанные факторы являются недостатком приемников прямого усиления.
В приемниках прямого усиления с регенерацией регенеративный каскад, включаемый между приемной антенной и оконечным устройством, выполняет одновременно TpW функции: усиление высокой частоты, демодуляцию и усиление низкой частоты. Не рассматривая их подробно, отметим, что эти приемники обладают низкой стабильностью и высоким уровнем искажений. Сверхрегенеративные приемники имеют несколько лучшую стабильность-, но очень большой уровень искажений. Их достоинством является малая мощность источников питания при минимальных размерах и массе. Поэтому подобная структура используется для портативных (обычно связных) приемников, допускающих большой уровень искажений.
Наибольшее распространение для подавляющего большинства радио-систем различного назначения получила супергетеродинная структура приемника с одно- или многократным преобразованием частоты (рис. 1.5). Часть приемника преселектор, включающий ВЦ, МШУ и УРЧ,
подобен структуре приемника прямого усиления и обеспечивает чувствительность и предварительную селекцию на частоте. С выхода пресе-лектора напряжение сигналов и помех поступает на преобразователь частоты (ПЧ), где происходит изменение несущей частоты сигнала /с. Для этого сигнал и колебания местного генератора — гетеродина (Г) — одновременно воздействуют на смеситель (См), представляющий собой нелинейный элемент или элемент с переменным параметром. В результате на выходе смесителя возникает колебание, содержащее составляющие с частотой сигнала /с и его гармоник, гетеродина /г и его гармоник и большое число комбинационных составляющих с частотами / — |л/г ± ± mfv\ (я, т 0, 1,2, ... — целые числа). Одна из этих комбинационных частот и используется в качестве новой несущей частоты выходного сигнала, называемой промежуточной частотой:
/п — /г /с
(1.1)
Поскольку сигнал несет в себе полезную информацию, в процессе преобразования частоты эта информация должна сохраняться, т. е. ПЧ для сигнала должен быть линейным. Таким образом, в процессе преобразования частоты происходит перенос спектра сигнала S (Д.) в область промежуточной частоты без нарушения амплитудных и фазовых соотношений его составляющих (рис. 1.6). Частотно-избирательные блоки, расположенные за смесителем, настроены на частоту /„ и называются усилителем промежуточной частоты (УПЧ). Промежуточная частота /п всегда фик-
сирована, не зависит от частоты ир нимаемого сигнала /с и выбираете намного ниже частоты сигнала (/п < <^ /с). Поэтому на частоте /„ легк обеспечить требуемое устойчивое yci ление. При перестройке супергетерс динного приемника по частотном диапазону одновременно иерестран ваются резонансные системы пресс лектора и гетеродина до тех пор, пок не образуется фиксированная промс жуточная частота. Так как УПЧ н перестраивается по частоте, то эт позволяет получить в супергетеродин ном приемнике высокую частоту! избирательность при неизменной пс лосе пропускания, а также реализн зовать оптимальную фильтрацию ей] нала от помех, применяя согласован ные фильтры на промежуточной час тоте. Таким образом, в супергете родинном приемнике устраняются ос новные недостатки приемника пру мого усиления.
Однако для супергетеродинны приемников характерно наличие сс седних и побочных каналов прием* зеркального, комби на ц ионного, интермоду ляционного и прямого.
Соседний канал приема -это канал на частотах /ск (/с.к). ПРИ мыкающий к основному каналу (/, (рис. 1.7), вследствие недостаточно избирательности приемника не от фильтровываемый преселектором
создающий в ПЧ сигналы на частотах /п = /г— /ск (/ск), блИЗКИХ К
промежуточной частоте /п и входящих в полосу пропускания УПЧ.
Зеркальный канал приема образуется внешней помехой на частоте:
/™ = /г+/п= /с+2/п. (1.2)
Если эта частота входит в полосу пропускания преселектора, имеющего частотную характеристику К^ес (/). показанную на рис. 1.7, то в ПЧ образуется частота |/г — /зк| = /п, т. е. такая же, как частота /„ = /г — /с от полезного сигнала. Следовательно, происходит наложение спектра полезного сигнала и спектра помехи, т. е. частотная фильтрация помехи от сигнала становится невозможной. Ослабить помеху по зеркальному каналу можно двумя путями: увеличением частотной избирательности Кпрес (/) или промежуточной частоты /п. В последнем случае, согласно (1.2), увеличится и частота помехи /зк, что позволяет лучше отфильтровывать ее в преселекторе. Однако чем выше промежуточная частота, тем труднее обеспечить высокую избирательность УПЧ с полосой пропускания, сопряженной с шириной спектра полезного сигнала. Для устранения помех одновременно по зеркальному и соседнему каналам применяют многократное преобразование (снижение) частоты:
/ш /п /с> /иг ~ f г2 /п1>которое рассматривается в § 5.2.
Комбинационный канал приема образуется в результате взаимодействия комбинационных частот гетеродина и сигнала: /ком = |л/г — — tnfc\ (где п, т> 1), образующих частоты, близкие к /п, т. е. входящие
в полосу пропускания УПЧ. Усиливаясь так же, как и полезный сигнал на частоте fD = /г — /с, на демодуляторе Д образуются биения между частотами сигнала и комбинационными частотами |/ком — /п|. Если они входят в полосу пропускания усилителя низкой частоты УНЧ, то являются помехой, воспроизводимой далее оконечным устройством ОУ. Основной мерой устранения комбинационного канала приема является снижение уровня гармоник гетеродина и сигнала выбором соответствующего режима работы смесителя.
Интермодуляционный канал приема возникает при прохождении через преселектор двух и более помех на частотах /1; /2, /„, которые в смесителе образуют сигналы с комбинационными частотами nlfl ± ± n2f2 ± ... ± nnfn (пи «2, пп — целые числа). Если какая-либо одна или несколько из комбинационных частот попадает в полосу пропускания УПЧ, то создается интермодуляционный побочный канал приема. Для уменьшения влияния последнего следует повышать частотную избирательность преселектрра и умень- • шать усиление в УРЧ.
Прямой канал приема образу - ( ется, когда помеха имеет частоту, равную промежуточной частоте /„, и, воздействуя на ПЧ, проходит без преобразования частоты в канал УПЧ.
При проектировании супергетеродинного приемника побочные каналы приема могут быть практически устранены правильным выбором промежуточной частоты, режима работы преобразователя частоты и необходимой частотной избирательности преселектора и усилителя промежуточной частоты. Поэтому супергетеродинная структура приемника является в настоящее время главной.
§ 1.3. Основные характеристики радиоприемников
Качественные показатели радиоприемных устройств определяются электрическими, конструктивно-экс-
плуатационными и экономическими характеристиками.
Рассмотрим основные электрические характеристики радиоприемников.
1. Чувствительность. Под чувствительностью понимают способность приемника принимать слабые сигналы. Чувствительность определяется минимально необходимой мощностью или ЭДС сигнала в антенне (либо ее эквиваленте), при которых обеспечивается нормальное функционирование исполнительного (оконечного) устройства при заданном отношении мощности сигнала к мощности собственных шумов на выходе приемника. Такое определение справедливо в тех случаях, когда внешними помехами радиоприему можно пренебречь. Однако в реальных условиях эксплуатации пренебрежение внешними помехами радиоприему часто недопустимо, особенно для приемников специальных радиосистем. Поэтому вводят понятие эффективной чувствительности по отношению к уровню помех, как внутренних, так и внешних.
Эффективная чувствительность — это способность радиоприемника принимать слабые сигналы с заданным качеством (отношением сигнал/помеха) и вероятностью приема (поражения) в условиях воздействия всего ансамбля помех [10].
2. Избирательность. Избирательностью называют способность радиоприемного устройства выделять полезный сигнал и ослаблять действие мешающих сигналов (помех) с помощью различных способов избирательности: частотной, временной, пространственной, поляризационной и др.
Частотная- избирательность, реализуемая с помощью резонансных цепей и фильтров, характеризуется нормированной амплитудно-частотной характеристикой у (/) трактов радио у (/с) и промежуточных у (/„) частот приемника:
(1.3)
где К (/) модуль коэффициента пере дачи указанных трактов на произволь ной частоте /; Кп — то же, но на ча стотах /с или /„.
Из (1.3) следует, что v (/) опреде ляется произведением нормирован ных амплитудно-частотных характе ристик преселектора у (/,.) и УП1 Y(/n). Если ввести абсолютные рас стройки по трактам преселектор, А/с = /с- / и УПЧ Д/„ = /„-/,; далее совместить их (Д/(. = Д/п = = Д/), то вид нормированных ампли тудно-частотных характеристик пре селектора и УПЧ (рис. 1.8)будет пс казывать, что избирательность супер гетеродинного приемника определя ется в основном трактом УПЧ. Кс личественно избирательность прие\ ника оценивается величиной, обрат ной (1.3):
Sl=Kn/K(f),(1.4
которая и называется избирательнс стью приемника. Допустимой нерав номерности коэффициента передач соответствует полоса пропускания 1на уровнях SI — 2 (nv=o,s), SI -= |^2 (Пу=0,707)или на любых другие
Понимая под К (/) коэффициенты передачи по любым побочным канала приема (см. § 1.2), можно определит избирательность приемника по отнс шению к соответствующим помеховы каналам.
Приведенные характеристики и: бирательности определяются тольк частотной фильтрацией полезного си1 нала от мешающих сигналов в выс< кочастотном тракте. Однако реальна избирательность приемника в цело
зависит также от н е л иней н ы х
явлений в его каскадах. Поэтому вводят понятие эффективной частотной избирательности, под которой понимают способность приемника различать полезный сигнал (на частоты которого настроен приемник) и помехи (с частотами за пределами полосы пропускания), уровни которых таковы, что они создают нелинейные эффекты при одновременном действии полезного и мешающих сигналов. Нелинейные эффекты в усилительных и преобразовательных каскадах приемника, обусловленные в основном нелинейной вольт-амперной характеристикой активных приборов при больших уровнях сигнала или помех, вызывают следующие явления [10, 331:
а) Сжатие амплитуды радиосигнала, т. е. нарушение линейной зависимости между амплитудами сигнала на выходе и входе каскада.Это явление происходит в режиме большого полезного сигнала и количественно характеризуется коэффициентом сжатия ксж, который определяется как отношение изменения средней крутизны А5Ср за период входного сигнала к крутизне S в рабочей точке вольт-амперной характеристики электронного прибора:
(1.5)
Сжатие амплитуды сигнала в последовательно соединенных я каскадах равно алгебраической сумме коэффициентов сжатия каждого каскада.
б) Блокирование полезного сигнала, выражающееся в изменении коэффициента передачи приемного тракта при действии мешающих сигналов, частоты которых отличаются от частот основного и побочного каналов приема. Чаще всего коэффициент передачи уменьшается, что приводит к уменьшению отношения :игнал/шум на выходе приемника или :нижению его чувствительности. Ко-тичественно это явление оценивают <оэффициентом блокирования к0л, <оторый определяется как отношение шплитуды составляющей сигнала, )бусловленной воздействием помех
Ас„, к амплитуде составляющей сигнала в отсутствие помех Ас:
кбл=Лсп/Лс. (1.6)
Для многокаскадного устройства коэффициент блокирования равен сумме подобных коэффициентов отдельных каскадов.
в) Перекрестные искажения радиосигналов, проявляющиеся в переносе модуляции с мешающего внеполосного сигнала на полезный. Это явление может возникнуть в случае, когда полезный сигнал проходит через параметрический каскад, комплексная передаточная функция К ('to, t) которого изменяется во времени по закону сильного помехового внеполосного сигнала,- находящегося по частоте на скатах АЧХ данного каскада. При изменении модуля передаточной функции /)-| в такт с изменением помехового сигнала возникает амплитудная перекрестная модуляция, а при изменении аргумента q> (ш, t) — угловая перекрестная модуляция.
Количественно искажения оценивают коэффициентом перекрестных искажений, который в общем виде может быть представлен выражением
АЩ
где Апк — амплитуды спектральных составляющих, образовавшихся после детектирования вследствие перекрестной модуляции; Ас — амплитуда полезной составляющей после детектирования.
г) Взаимную модуля-ц и ю (интермодуляцию) между помеховыми внеполосными сигналами , а также между внеполосными сигналами и шумом. Условия ее возникновения описаны в § 1.2. Количественно интермодуляцию оценивают уровнем составляющей взаимной модуляции на выходе устройства по отношению к амплитуде одного из одинаковых взаимодействующих сигналов, который определяется как двух-сигнальный коэффициент нелинейных искажений к2Л.
Временная избирательность применяется в основном при приеме импульсных сигналов, когда момент появления их известен достаточно точно. При этом используется метод строби-рования, когда приемник открывается только на время ожидаемого прихода импульсного,сигнала. Остальное время приемник закрыт, что уменьшает воздействие помех.
Пространственная избирательность осуществляется с помощью остронаправленных приемных антенн, а в настоящее время и путем управления фазированными антенными решетками (ФАР). Если источники сигнала и помехи разнесены по угловым направлениям, то можно существенно ослабить уровень внешней помехи на входе приемника, формируя в направлении на источник сигнала максимум диаграммы направленности приемной антенны, а в направлении источника помехи — нули (провалы) в диаграмме направленности.
Поляризационная избирательность может быть осуществлена, если имеются различия в поляризациях электромагнитных волн полезного сигнала и помехи. Она производится приемной антенной, которая настраивается на вид поляризации сигнала.
3. Помехоустойчивость. Помехоустойчивостью называют способность приемника обеспечивать прием переданной или извлеченной информации с заданной достоверностью при заданных (или выбранных) видах сигналов (в том числе видов модуляции или кодирования) и наличии помех в радиоканале. Повышение помехоустойчивости обеспечивается всеми видами избирательности, а также созданием оптимальных (квазиоптимальных)структур приемников и специальными мерами борьбы с помехами при обработке принимаемых сигналов.
4. Допустимые искажения воспроизводимого сигнала в отсутствие помех. Искажения могут быть линейными (амплитудно-частотными и фазочас-тотными) и нелинейными. Амплитудно-частотные искажения изменяют соотношения между амплитудами со-
ставляющих СОООЩеНИЯ на ВЫАиде
приемника (включая оконечное устройство) по сравнению с его входом. Они оцениваются допустимой нелинейностью АЧХ сквозного тракта приемника в заданном диапазоне модулирующих частот. Фазочастотные искажения заключаются в том. что различные составляющие спектра сообщений при прохождении через приемник сдвигаются во времени не на одинаковую величину и оцениваются допустимой нелинейностью ФЧХ приемного тракта. Нелинейные искажения проявляются на выходе приемника в появлении дополнительных частот (гармоник и комбинационных), не содержащихся в передаваемом сообщении, и оцениваются допустимым коэффициентом нелинейных искажений при заданном коэффициенте модуляции. Искажения импульсных сигналов оцениваются допустимыми длительностями фронта и среза, неравномерностью вершины, выбросами на вершине и в паузе.
5. Электромагнитная совместимость (ЭМС). Под электромагнитной совместимостью понимают обеспечение совместной работы данной радиоэлектронной аппаратуры с другой аппаратурой, которая создает мешающее радиоизлучение. Задачи рационального использования радиочастотных диапазонов и нормирования радиоизлучений введены в общесоюзные стандарты. Имеются рекомендации («Регламент радиосвязи») международных организаций по вопросам распределения радиочастот между отдельными службами (радионавигация, радиолокация, радиовещание и т. д.). Применительно к приемникам для ЭМС принимают меры по уменьшению собственных его излучений и предусматривают защиту приемников от влияния помех других устройств по соседним и побочным каналам приема, а также от индустриальных помех. ЭМС задается допустимыми уровнями напряжений гетеродина, «просачивающихся» в антенну, на выход приемника, в цепи питания, управления, коммутации.
Рис. 1.9
6. Динамический диапазон приемника по основному каналу. Под этой характеристикой понимают диапазон граничных уровней входного полезного сигнала, при которых обеспечивается нормальное качество приема. Минимальный уровень входного сигнала ограничивается уровнем собственных шумов, т. е. чувствительностью приемника. Максимальный уровень сигнала ограничен допустимыми нелинейными искажениями в усилительных и преобразовательных каскадах приемника из-за нелинейных характеристик электронных приборов при сильных сигналах.
Таким образом, динамический диапазон характеризует пределы изменения уровня входных сигналов, в которых устройство линейно в практическом смысле. Относительное изменение уровней помех и полезных сигналов на входе радиоприемников в обычных условиях работы может составлять 90—100 дБ. С помощью же автоматической регулировки усиления приемника динамический диапазон но основному каналу может быть доведен до 100—120 дБ, т. е. он может перекрывать диапазон входных воздействий.
Сложнее обстоит дело при работе радиоприемников в условиях экстремальной помеховой обстановки, когда диапазон входных воздействий достигает 140—160 дБ 141. В этих условиях заданное качество приема может не обеспечиваться и расширение динамического диапазона специальных приемников до указанных величин яв-
лиетсиважной задачей приемной техники.
Нелинейные искажения полезного сигнала в основном канале приемника могут происходить не только за счет большого уровня сигнала, но также из-за большого уровня помехи в соседнем канале. Поэтому вводят понятие динамического диапазона по соседним каналам, который определяется как отношение максимальной амплитуды помех в соседнем канале (при которых нелинейные искажения полезного сигнала соответствуют допустимым значениям) к чувствительности приемника по основному каналу Umin. Верхние границы динамического диапазона ПО ОСНОВНОМУ (/?2,i)0CH и соседнему (D2,,)coc каналам (рис. 1.9) определяются соответственно допустимым двухсигнальным коэффициентом нелинейных искажений к2л и равенством взаимной модуляции чувствительности приемника U2,i — = (Уm|,„ а также параметром нелинейности S"/S используемого электронного прибора.
7. Параметры ручных и автоматических регулировок усиления, полосы пропускания, частоты и фазы гетеродина. При ручных регулировках указываются диапазоны изменения коэффициента усиления и полос пропускания высокочастотного и низкочастотного трактов приемника. Требования к автоматической регулировке усиления (АРУ) определяются максимально допустимым изменением выходного напряжения приемника при заданном динамическом диапазоне входного напряжения и допустимой постоянной времени АРУ. Требования к автоматической подстройке частоты (см. гл. 9) характеризуются требуемыми значениями полос захвата и коэффициента автоподстройки кАпч " = Л/нач/д/ост.где Д/Нач, А/0,.г начальная и остаточная расстройки приемника относительно рабочей частоты принимаемого сигнала. Требования к автоматической подстройке фазы (см. гл. 10) характеризуются полосой захвата, полосой удержания, постоянной времени ФАПЧ.
8. Мощность и другие характеристики питания приемника. Если источники питания имеют ограниченную мощность, то задается максимально допустимая мощность питания приемника. "
9. Диапазон рабочих частот, т. е. область частот настройки, в пределах которой обеспечиваются все другие электрические характеристики приемника.
К основным конструктивно-эксплуатационным характеристикам радиоприемников относятся:
1. Надежность работы, оцениваемая средним временем или вероятностью безотказной работы. Эта характеристика зависит как от выбранной структурно-функциональной схемы приемника, так и от надежности отдельных элементов схемы, их количества, облегченных режимов работы наиболее важных элементов, в особенности электронных приборов. Главным направлением повышения надежности является использование интегральной техники, а также дублирование и резервирование наименее надежных элементов или целых узлов приемника.
2. Стабильность и устойчивосп,
работы, оцениваемые по способност
приемника сохранять свои элeктp^ ческие характеристики в допустимы пределах при воздействии окружак щей среды (температуры, влажностг атмосферного давления, механичес ких нагрузок, климатических и сш циальных воздействий) и изменени режима источника питания.
3. Габариты и масса приемникг Линейные размеры, занимаемый обт ем, а также масса часто являютс одними из основных характеристи приемников, устанавливаемых на ле тательных аппаратах, особенно малс размерных.
4. Ремонтоспособность, опреде ляющая характер устранения неис правностей, т. е. возможность заме ны отдельных элементов, целых боко или приемника в целом.
К основным произволе! в е и н о-э к о и о м и ч е с к им х а рактеристикам радиоприем ников относятся: стоимость при емника, сроки разработки, разме] партии, серийноспособность, вид тех нологического процесса, сроки мо рального износа, соответствие мире вым стандартам, степень унифика ции.
ГЛАВА2
СИГНАЛЫ И ПОМЕХИ ПРИ РАДИОПРИЕМЕ
§ 2.1. Сигналы на входе приемника, прошедшие однолучевои канал
В радиосистемах передачи или извлечения информации входное колебание радиоприемника представляет собой смесь полезного и мешающих сигналов (помех и шумов). В простейшем случае единственным источником помех являются внутренние шумы самого приемника. Решая задачу обнаружения, приемник обрабатывает входное колебание, чтобы выявить, присутствует или отсутствует полезный сигнал во входном колебании.
В тех случаях, когда необходимо из мерить параметры входного колеба ния, приемник преобразует его в сиг нал оценки искомых параметров. До стоверность передачи или извлечени; информации зависит от искажений которым подвергается радиосигнал при прохождении в радиосистеме. Ис кажения обусловлены тремя причина ми: 1) изменениями условий распро странения радиоволн в канале из-з; неоднородностей среды или свойств от ражающих объектов; 2) наличие]* внешних и внутренних помех и шумов 3) техническим несовершенством ра диоустройств. Первые две причины 1
Рис. 2 1
основном неподвластны разработчику
Рассмотрим характер преобразования зондирующего радиолокационного сигнала или передаваемого сигнала в системах радиосвязи во входной сигнал приемника. Однолучевым будем называть канал, в котором радиоволны от передатчика (Прд) к приемнику (Прм) распространяются по одному пути: в радиолокации прямой и обратный каналы (рис. 2.1, а), в радиосистемах передачи информации--прямой канал (рис. 2.1,6). Канал считается линейным, а процесс отражения радиоволн от цели в радиолокации — линейным и частотно-независимым.
Зондирующие (или передаваемые) сигналы обычно являются узкополосными, т. е. ширина спектра А/, сигнала много меньше несущей частоты /„ (А/,. /'„ 1). В общем случае моду: ляции могут быть подвергнуты амплитуда и частота (либо фаза) высокочастотного колебания. В соответствии с этим зондирующий (или передаваемый) сигнал описывается соотношением
«з (/) = U (t) cos К i - ф (0 + ф0] р = Re{£(0exp|/(co0/-; <гп)|}, (2.1)
где U (/), ф (/) — законы амплитудной и фазовой модуляции соответственно; Фо — начальная фаза; £ (/) U if)
е.хр[/ф (/)) — комплексная огибающая сигнала.
Какие же преобразования происходят с сигналом в процессе распространения радиоволн и отражения их от цели (в радиолокации)? Вследствие изменения условий распространения радиоволн амплитуда и фаза сигна-
и,
ла приобретают флуктуационный характер. Радиолокационный сигнал дополнительно претерпевает ряд изменений, связанных с процессом отражения радиоволн от движущейся цели. Обычно в ее сложной физической структуре содержится п отдельных «блестящих точек». Согласно теории геометрической оптики (дифракционной теории) «блестящая точка» есть точка на поверхности тела, из которой выходит отраженный луч (дифракционные поля)*. Число п этих точек для целей обычно велико, а их взаимное расположение меняется неопределенным образом в зависимости от ракурса цели, так что его вполне можно считать случайным.
Совокупность сигналов, отраженных от г'-х «блестящих точек» в сторону приемника РЛС. и составляет принятый сигнал:
где gt (t) — множитель ослабления, учитывающий затухание сигнала на трассе распространения и эффективную отражающую площадь /'-й отражающей поверхности; т 2Rc — время запаздывания отраженного сигнала относительно зондирующего сигнала, равное времени распространения сигнала до цели (находящейся от РЛС на расстоянии R) и обратно; Од == ш02и/с — доплеровский сдвиг частоты при радиальной скорости цели у; Фг (t) — случайная фаза, появляю-. щаяся в процессе отражения от i'-й поверхности цели и в процессе распространения волн.
Если предположить, что фазы Ф, (/) статистически независимы, множители gi (t) имеют одинаковые модули и число «блестящих точек» п велико, то на основании центральнойпре-
* Наглядное представление о «блестящих точках» можно получить, наблюдая освещенную Солнцем воду при слабом вол нении