Основные показатели радиоприемных устройств

Качественные показатели радиоприемных устройств определяются электрическими, конструктивно-эксплуатационными и производственно-экономическими характеристиками.

Одна из важнейших электрических характеристик любого радиоприемника - чувствительность, под которой понимают способность приемника принимать слабые сигналы. Количественно чувствительность оценивается минимальной ЭДС в антенне Е_А0 (для радиоприемных устройств, работающих в диапазонах умеренно высоких частот) или номинальной мощностью Р_А0 (для радиоприемника СВЧ типа) модулированного сигнала, при которых на выходе приемника сигнал воспроизводится с требуемым качеством. Под требуемым качеством обычно понимается либо получение заданного уровня сигнала на выходе, обеспечивающего нормальное функционирование оконечного блока при определенном отношении мощности сигнала к мощности шумов (С-Ш), либо реализация одного из вероятностных критериев принятого сигнала. При этом чувствительность ограничена усилением, которое обеспечивается усилительно-преобразовательным блоком: чем выше усиление, тем больше уровень сигнала на выходе радиоприемного устройства и тем легче получить нужное качество приема.

Чувствительность радиоприемников в зависимости от их назначения может колебаться в широких пределах. Например, чувствительность радиовещательных приемников находится в пределах 50...300 мкВ в зависимости от класса качества. Чувствительность радиолокационных приемников имеет значения порядка 10^-12... 10^-15 Вт.

Однако в реальных условиях эксплуатации радиоприемных устройств чаще имеют место ситуации, когда пренебречь влиянием помех на радиоприем нельзя. Если принимаемый сигнал и помехи соизмеримы, увеличение усиления радиоприемника не приводит, очевидно, к росту чувствительности и, таким образом, наименьший уровень сигнала, который может быть принят, определяется фактически уровнем не самого сигнала, а помех. Воздействующие на приемник помехи могут быть как внешними (от других радиосистем, индустриального или природного происхождения), так и внутренними (шумы). Причем если внешние помехи отсутствуют, на выходе радиоприемного устройства всегда присутствуют внутренние помехи, обусловленные в основном его флуктуационными шумами. В последнем случае предел чувствительности приемника определяется его внутренними шумами. Такое положение особенно характерно для радиоприемных устройств СВЧ диапазона, в котором уровень внешних помех сравнительно мал и решающее значение имеют внутренние шумы. Чувствительность, ограниченную внутренними шумами, количественно оценивают реальной или пороговой чувствительностью, коэффициентом шума или шумовой температурой.

Избирательностью (селективностью) называется способность радиоприемного устройства выделять полезный сигнал, ослабляя действие мешающих сигналов (помех). Основана она на использовании тех или иных различий полезных и мешающих сигналов: направления прихода и времени действия, поляризации, амплитуды, частоты и фазы.

Пространственная избирательность достигается с помощью остронаправленных приемных антенн или путем электронного управления синтезированной диаграммой направленности фазированной антенной решетки. Поляризационная избирательность реализуется также приемной антенной, настраиваемой на вид поляризации волны полезного сигнала. Временная избирательность (при приеме импульсных сигналов) достигается включением приемника только на время действия полезного сигнала.

Основное значение имеет частотная избирательность, поскольку в системах радиосвязи, звукового вещания и телевидения сигналы обычно отличаются по частоте и их разделение осуществляется с помощью резонансных цепей и фильтров. Различают односигнальную и эффективную частотную избирательность.

Односигнальная избирательность определяется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) фильтров усилительно-преобразовательного блока приемника при действии на его входе только одного сигнала небольшой величины (полезного или мешающего), не вызывающего нелинейных эффектов. Нормированной АЧХ УПБ называют величину

,

где - модуль коэффициента усиления (передачи) УПБ по напряжению на произвольной частоте f, K₀ - резонансный коэффициент усиления на частоте настройки радиоприемника f₀. Количественно односигнальная избирательность радиоприемного устройства оценивается величиной, обратной , т.е.

,

и определяет ослабление помехи при ее заданной расстройке относительно f₀. Зависимость называется характеристикой односигнальной избирательности (рис. 3.2). Поскольку в современных радиоприемных устройствах пределы изменений весьма значительны, обычно используется оценка избирательности в децибелах: [дБ] = 20lg[К_о/К ] (рис. 3.3). Наибольший интерес представляют величины избирательности на частотах, вблизи или на которых в УПБ могут попасть помехи.

Идеальной характеристикой избирательности является прямоугольная с полосой пропускания, равной ширине спектра полезного сигнала, в пределах которой Sе = 1, а за ее пределами Se →∞. При такой характеристике обеспечиваются неискаженное воспроизведение спектра сигнала и бесконечно большое подавление любой внеполосной помехи. Для оценки степени близости реальной характеристики избирательности к идеальной используется коэффициент прямоугольности k_пр = , где П_0,7 - полоса пропускания УПБ на уровне ; 0,707 (3 дБ) и - полоса на заданном уровне γ, который выбирается равным одному из значений: 0,1; 0,01; 0,001 и т.д. Для идеальной характеристики k_пр=1, т.е. избирательность тем выше, чем ближе коэффициент прямоугольности к единице.

В большинстве систем радиосвязи и радиовещания полезный сигнал принимается на фоне одной или нескольких значительных по уровню внеполосных помех, при этом даже незначительная нелинейность УПБ приводит к таким эффектам, как перекрестная модуляция, сжатие амплитуды, блокирование, интермодуляция. Перекрестная модуляция проявляется в переносе модуляции помехи на полезный сигнал. Перекрестная модуляция ухудшает отношение сигнал-помеха или делает прием полезного сообщения вообще невозможным. Сжатие амплитуды радиосигнала, т.е. нарушение линейной зависимости между амплитудами сигнала на выходе и входе УПБ, наблюдается в режиме большого полезного сигнала и обусловлено уменьшением средней крутизны усилительных приборов за период под его воздействием. Блокирование полезного сигнала возникает также вследствие уменьшения коэффициента усиления УПБ, но уже под действием сильных мешающих сигналов с частотами, отличающимися от частот основного и побочного каналов приема.

Интермодуляция заключается в том, что при воздействии на какой-либо нелинейный элемент в УПБ двух или более помех с частотами f_п1, f_п2, f_п3, ... на выходе этого элемента возникает сложный спектр интермодуляционных колебаний вида mf_п1 ±nf_п2±pf_п3 где m, n, p - целые числа. Если частоты одной или нескольких составляющих этого спектра совпадают с частотой настройки радиоприемного устройства или любого побочного канала приема, такие составляющие усиливаются в УПБ наравне с полезным сигналом, накладываются на него, снижают отношение С-Ш и искажают принимаемое сообщение.

В условиях действия сильных помех, приводящих к указанным эффектам, наиболее полезную характеристику избирательных свойств приемника дает эффективная, или многосигнальная частотная избирательность.

Помехоустойчивостью называется способность радиоприем­ного устройства обеспечивать нормальное функционирование в условиях воздействия помех. Существуют различные критерии количественной оценки помехоустойчивости: вероятностный, энер­гетический, артикуляционный. При приеме дискретных сигналов применяется вероятностный критерий, связанный с определением средней вероятности искажения элементарного сигнала, завися­щей от превышения сигнала над помехой. При приеме аналоговых сигналов для оценки помехоустойчивости удобен энергетический критерий, предполагающий измерение отношения мощностей или эффективных напряжений сигнала и помехи на выходе радиопри­емного устройства при заданном отношении на выходе радиопри­емного устройства при заданном отношении С-Ш на входе. Арти­куляционный критерий используется для оценки помехоустойчиво­сти приема речевых сообщений и реализуется путем количествен­ной экспертной оценки разборчивости передаваемых тестовых текстов.

Вышеперечисленные показатели (реальная чувствительность, избирательность и помехоустойчивость) в значительной мере опре­деляют характеристику электромагнитной совместимости (ЭМС), отражающую возможность радиоприемного устройства работать как в комплексе с радиоэлектронными устройствами данной радиосис­темы (внутрисистемная ЭМС), так и с другими радиосистемами (межсистемная ЭМС). Указанные показатели характеризуют вос­приимчивость радиоприемника к мешающим электромагнитным воздействиям через антенну и по цепям питания, управления й коммутации.

Способность приемника в отсутствие помех воспроизводить на выходе закон модуляции входных сигналов с заданной точностью называют верностью воспроизведения сообщений. Количественно верность воспроизведения оценивается искажениями выходного сигнала - изменениями его формы по отношению к модулирующей функции. Различают статические и динамические характеристики искажений.

К статическим относятся характеристики линейных искажений, нелинейных искажений и искажений, связанных с ограничением ди­намического диапазона. Линейные искажения проявляются в раз­личных условиях прохождения отдельных составляющих спектра полезного сигнала через приемный тракт. Они обусловлены инер­ционностью элементов тракта, не сопровождаются появлением в спектре новых составляющих и не зависят от уровня входного сигнала и глубины модуляции; Линейные искажения могут быть ам­плитудными и фазовыми.

Нелинейные искажения обусловлены главным образом нелиней­ностями характеристик усилительных элементов, связаны с появле­нием в спектре модулирующего сигнала на выходе радиоприемного устройства новых составляющих и зависят от уровня сигнала и глу­бины модуляции. Оцениваются они коэффициентом гармоник моду­лирующего сигнала , где U_вых1, U_вых2, U_выхз ^_ эффективные значения напряжения соответст­вующих гармонических составляющих частоты модуляции f_м. Нели­нейные искажения возникают на участках приемного тракта с высо­кими уровнями сигнала и при слуховом приеме, например, ухудша­ют его качество.

Таким образом, максимальный уровень входного сигнала Е_вх.доп в приемнике ограничен допустимыми нелинейными искажениями в УПБ. Минимальный уровень Е_вх.min определяется уровнем собствен­ных шумов, т.е. реальной чувствительностью приемника. Эти уров­ни ограничивают динамический диапазон D по основному каналу радиоприемного устройства D = 20lg(Е_вх.доп/Е_вх.min), характеризую­щий пределы изменения уровня входных сигналов, при которых обеспечивается допустимая потеря информации, содержащейся в полезном сигнале. У современных приемников динамический диа­пазон может достигать 100... 120 дБ.

К характеристикам частотной настройки радиоприемного уст­ройства относят: диапазон рабочих частот f_0min ... f_0max, в преде­лах которого приемник может плавно или дискретно перестраи­ваться; набор рабочих частот приемника, предназначенного для приема сигналов на фиксированных частотах. Диапазон рабочих частот характеризуется коэффициентом перекрытия диапазона k_д= f_0max/ f_0min. Для повышения k_д при сохранении заданного качест­ва приема диапазон рабочих частот разбивают на поддиапазоны с равными коэффициентами перекрытия или равными частотными интервалами. К характеристикам частотной настройки относят также погрешность настройки и ее отсчета, плотность настройки, шаг перестройки по частоте.

К основным конструктивно-эксплуатационным характеристи­кам радиоприемного устройства относят надежность работы, массогабаритные показатели, стабильность и устойчивость работы, эко­номичность питания, ремонтоспособность и эргономические показа­тели.

Особо следует подчеркнуть, что перечисленные выше основ­ные показатели и характеристики радиоприемного устройства не просто представляют собой набор отдельных свойств, а образуют сложную систему взаимосвязанных и взаимозависимых качеств приемника.