Радиоприёмных устройств (РПрУ)

123

Все РПрУ различаются по частотному диапазону работы радиосистемы.

В состав РПрУ входят: сам приемник, оконечное устройство (нагрузка), источник питания.

Классификация: 1) РПрУ прямого усиления;

2) РПрУ супергетеродинного типа.

1.1. РПрУ прямого усиления

Достоинства: Простота.

Недостатки: Низкое качество воспроизводимого сигнала, ограниченная дальность приема и т. д.

1.2. РПрУ супергетеродинного типа

Достоинства; используется преобразователь частоты, поэтому основное усиление происходит на промежуточной частоте, высокая чувствительность, помехоустойчивость, малые линейные и нелинейные искажения.

Разновидностью РПрУ гетеродинного типа являются гомодинные (синхронные) РПрУ. В этих приемниках частота гетеродина равна частоте несущей входного сигнала. В результате в таких приемниках совмещаются операции гетеродинирования и демодуляции сигнала.

По структуре построения РПрУ делятся на аналоговые, аналогово-цифровые и цифровые.

1.3. Основные характеристики РПрУ

1. Чувствительность - способность ПРМ принимать слабые сигналы в присутствии внешних помех. Количественная оценка - это минимальная мощность сигнала на входе ПРМ, при которой обеспечивается заданное отношение сигнал- шум на выходе линейной части приемника.

2. Помехоустойчивость - способность приемника обеспечивать приём сигналов с заданной достоверностью при известном способе передачи сигнала и наличии в тракте помех.

3. Избирательность. Прежде всего, это частотная избирательность - способность приемника выделять полезные сообщения в пределах заданной полосы частот и ослаблять действие сигналов вне этой полосы.

Избирательность делится: избирательность по зеркальному каналу, избирательность прямого канала (эти виды избирательности обеспечиваются преселектором РПрУ), избирательность по соседнему каналу (обеспечивается УПЧ).

4. Динамический диапазон - определяется амплитудной характеристикой приемника.

Чем шире диапазон, тем меньше качество приема сигналов зависит от дальности.

Для расширения динамического диапазона служит система АРУ.

5. Искажения ( линейные и нелинейные). Линейные - подразделяются на частотные и фазовые.

Частотные искажения. Фазовые искажения.

Нелинейные искажения определяются нелинейностью амплитудной характеристики приемника и оцениваются величиной:

- коэффициент нелинейных искажений ( мощность основной гармоники к сумме мощностей паразитных гармоник).

6. Электромагнитная совместимость - способность РПрУ работать с учетом воздействия различных близко расположенных радиосистем друг на друга.

2. Основные разновидности сигналов и помех

Все сигналы делятся на узкополосные и широкополосные:

- для узкополосных сигнала справедливо условие: - где Df_с - полоса,

f₀ - несущая частота.

- для широкополосных справедливо условие:

Узкополосные сигналы могут быть представлены в виде:

где U₀(t) - отражает закон амплитудной модуляции;

j(t) - угловой модуляции; j₀ - начальная фаза.

Все сигналы могут быть случайными и детерминированными .

Если модулирующая функция является случайной, то и сигнал - случайный.

Все шумы и помехи можно разделить на внутренние и внешние. Причинами внутренних помех является само приемное устройство, обычно – это внутренние шумы РПрУ.

Внешние помехи – это такие, которые существуют в тракте распространения радиоволн.

В общем случае на входе РПрУ присутствует смесь сигнала и помехи:

y(t) = U_c(t)Ä U_П(t)

Помехи делятся на три типа:

1. Аддитивные ( входная смесь представляет собой сумму):

2. Мультипликативные ( умножение):

Мультипликативная помеха модулирует сам сигнал:

— комплексная огибающая сигнала:

— комплексная огибающая помехи:

3. Аддитивная и мультипликативная помехи

Помехи делятся по временному характеру на: непрерывные, дискретные и импульсные. Помехи могут быть узкополосными и широкополосными.

Шумы РПрУ

Внутренние и внешние.

Рассмотрим внутренние шумы. Они имеют несколько причин их появления:

1. Наличие в схемах различных сопротивлений и проводников ( тепловой шум);

, Þ в этом материале происходит хаотическое движение элементарных заряженных частиц.

, где Т - интервал времени

Для количественной оценки этого случайного процесса можно использовать его дисперсию: - определяет мощность тепловых шумов.

- энергетический спектр шумов.

Спектральную плотность тепловых шумов можно записать с помощью формулы Найквиста:

где: k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура проводника по Кельвину, R - сопротивление.

Эта формула справедлива для всего диапазона частот: ( 0-10¹²) Гц.

- где Df - полоса частот в пределах которой оценивается мощность теплового шума.

Построим эквивалентную шумовую схему омического сопротивления.

,Þ т.к. спектр на входе равномерен.

Dw_ш – шумовая полоса.

Кроме тепловых в любом РПрУ существуют шумы активных приборов.

В полупроводниковом диоде есть три шумовые составляющие:

1) Тепловой шум омического сопротивления открытого р-n - перехода. Его мощность определяется выражением:

2) дробовый шум; его причина - это дискретный характер тока в единицу времени. Его мощность определяется формулой Шоттки:

где е - заряд электрона, I₀- средний ток через p-n - переход;

3) избыточный шум (фликер-шум); этот шум в области низких частот и мощность его обратно пропорциональна частоте

В результате эквивалентная шумовая схема полупроводникового диода:

3.1. Шумы биполярных и полевых транзисторов

Биполярные транзисторы:

1) тепловой шум объемного сопротивления базы: ;

2) дробовой шум эмитерного перехода: ;

3) дробовой шум коллекторного перехода: ,

где I_ко - обратный ток на коллекторе;

4) шум рекомбинации или токораспределения; его причина - случайный характер рекомбинации электронов и дырок в базе транзистора.

, где a - коэффициент передачи транзистора по току в схеме с общей базой;

5) фликер-шум, или избыточный шум: i²_{ш.фл.ср.}.

В результате можно построить эквивалентную шумовую схему биполярного транзистора:

Основные источники шумов в полевом транзисторе:

1) тепловой шум токопроводящего канала;

2) дробовой шум тока утечки затвора;

3) тепловой шум объемного сопротивления стока и истока транзистора.

Шумовые параметры полевых транзисторов гораздо лучше, чем у биполярных.

3.2. Коэффициент шума четырехполюсника (ЧП)

; ; .

-коэффициент шума ЧП. Þ , .

F=(P_c.вых/P_ш.вых.)/(P_c.вх./P_{ш. вх.}).

3.3. Шумовая температура

Стандартный коэффициент шума ЧП – (F₀) - это величина коэффициента шума, при условии что ЧП находится при температуре окружающей среды.

При этом источник шума также имеет температуру: T = 300^оК.

Тогда связь стандартного и реального коэффициента шума определяется:

где t_и= Т_и/ T₀ - относительная шумовая температура источника,

Т₀@ 300^о К, F₀ - стандартный коэффициент шума ЧП.

Примером пассивных ЧП являются входные цепи (разрядник защиты приемника, режекторные фильтры, вентили, циркуляторы, сам фильтр).

Для пассивного ЧП: Þ коэффициент шума этого ЧП: F_п= 1/K_p, где K_p< 1.

Коэффициент потерь ЧП: L_п@ 1/K_p Þ F_п= L_п.

3.4. Коэффициент шума каскадно включенных ЧП

, Þ Из этого выражения следует, что основной вклад в величину коэффициента шума вносят первые каскады.

Шумовая температура n- каскадного ЧП:

3.5. Внешние шумы и помехи

Они могут иметь естественную природу, либо это специально организованные помехи. Допустим, что антенна находится в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой (T_А= T₀). Тогда мощность шумов определяется:

где: R_А - шумовое сопротивление антенны: , где R_S - сопротивление излучения антенны, вызвано всем внешним излучением, его величина зависит от направленных свойств антенны; R_П - сопротивление потерь антенны, определяется технологией изготовления антенны.