Особенности супергетеродинного приема

Преобразование частоты принимаемых радиосигналов в сигналы постоянной промежуточной частоты осуществляется с помощью гетеродинов. На входы смесителя подаются колебания двух различных частот: принимаемого радиосигнала с частотой и сигнала гетеродина с частотой . На выходе смесителя будут иметь место колебания комбинационных частот вида

,

где m и n – целые числа (включая нуль) в любом сочетании.

Полезными являются колебания разностных (или суммарных) частот при
т=п=1, т.е. промежуточная частота определяется выражением

или

при нижней настройке гетеродина;

при верхней настройке гетеродина.

Из приведенных соотношений видно, что одна и та же промежуточная частота может быть получена при двух различных значениях частоты гетеродина.

В результате неоднозначности образования промежуточной частоты в супергетеродинных приемниках возможен одновременный прием двух различных радиосигналов: полезного сигнала с частотой fc и мешающего сигнала с частотой fз, расположенного на оси частот по другую сторону от сигнала гетеродина (рис. 3.5).

Поскольку оба сигнала (полезный и мешающий) расположены на оси частот симметрично относительно сигнала гетеродина, то один является как бы зеркальным отображением другого. Мешающий сигнал принято называть зеркальной помехой, а канал приема этой помехи – зеркальным каналом.

Рис. 3.5. Взаимное расположение частот сигнала

гетеродина и зеркальной помехи

а - нижняя настройка гетеродина

б - верхняя настройка гетеродина

Из рис. 3.5 видно, что частота зеркальной помехи отличается от частоты принимаемого сигнала на удвоенное значение промежуточной частоты:

.

Знак минус соответствует нижней, а знак плюс – верхней настройкам гетеродина относительно частоты принимаемого сигнала.

Если не принять мер по подавлению зеркальной помехи, то после преобразования частоты она будет обрабатываться (усиливаться и фильтроваться) наравне с полезным сигналом. Единственным способом исключения влияния зеркальной помехи является уменьшение ее уровня на входе смесителя. Это может быть достигнуто, в частности, путем улучшения избирательности предыдущего тракта приема, т. е. входной цепи и УРЧ.

Рис. 3.6. Влияние избирательности входного тракта и номинала
промежуточной частоты на уровень зеркальной помехи

Из рис. 3.6, а видно, каким образом характеристика избирательности тракта радиочастоты (для большей наглядности приведен график обратной зависимости) влияет на уровень зеркальной помехи на входе смесителя. Очевидно, что чем выше избирательность ВЦ и УРЧ, тем больше ослабление зеркальной помехи на входе смесителя и меньше ее влияние на выходе преобразователя частоты. Улучшение избирательных свойств ВЦ и УРЧ может быть достигнуто за счет применения многозвенных фильтров. Однако, сделать это технически сложно, поскольку фильтры должны быть перестраиваемыми. Кроме того, увеличение количества избирательных цепей приводит к снижению чувствительности приемника.

Другим способом снижения влияния зеркальной помехи является рациональный выбор номинала промежуточной частоты . Из рис. 3.6 видно, что при одной и той же избирательности ВЦ и УРЧ подавление зеркальной помехи тем больше, чем больше промежуточная частота. Это объясняется увеличением частотного интервала между принимаемым сигналом и зеркальной помехой.

Таким образом, с точки зрения обеспечения высокой избирательности приемника по зеркальному каналу промежуточная частота должна быть как можно больше. Однако, с повышением промежуточной частоты увеличивается полоса пропускания избирательных цепей после преобразователя и, следовательно, ухудшаются условия ослабления помех по соседним каналам приема (то есть помех, непосредственно примыкающих к частоте полезного сигнала).

Это явное противоречие разрешается двукратным, а иногда и многократным преобразованием частоты сигнала. Структурная схема супергетеродинного радиоприемника с двойным преобразованием частоты показана на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Структурная схема супергетеродинного радиоприемника
с двойным преобразованием частоты

В приемнике с двойным преобразованием частоты первую промежуточную частоту выбирают достаточно высокой в целях надежного подавления помех по зеркальным каналам приема, а вторую промежуточную частоту - относительно низкой для обеспечения высокой избирательности от помех по соседним каналам приема (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Взаимное расположение частоты сигнала, промежуточных частот и зеркальных
помех в радиоприемнике с двойным преобразованием частоты

Другим побочным каналом приема, кроме зеркального, является канал на промежуточной частоте. Если помеха с частотой попадает на вход первого смесителя, то в результате прямого прохождения через него она поступит на вход УПЧ и будет усиливаться, как и полезный сигнал. Помеха по промежуточной частоте является очень опасной, так как при ее появлении радиоприемник перестает работать во всем рабочем диапазоне частот сразу. Подавление помехи на промежуточной частоте также обеспечивается во входной цепи и УРЧ, причем для повышения избирательности радиоприемника по побочному каналу данного вида необходимо уменьшать значение (см. рис. 3.6). Это требование находится в противоречии с условием подавления зеркальной помехи. Однако, в любом случае первая промежуточная частота должна находиться за пределами рабочего диапазона частот приемника.

Кроме рассмотренных выше наиболее опасных побочных каналов приема возможны и другие побочные каналы, образованные, например, при взаимодействии гармоник частоты гетеродина с частотами мешающих сигналов и их гармониками. Если на входе смесителя появится помеха с некоторой частотой , то на его выходе могут возникнуть комбинационные составляющие вида

или ,

которые близко расположены к промежуточной частоте и попадают на выход преобразователя.

Решая эти уравнения относительно получаем следующее выражение для частот дополнительных побочных каналов:

.

Поскольку уровень высших гармоник резко уменьшается с увеличением их номеров, то наибольший интерес представляет случай, когда m = n и их значения малы. Тогда

.

Легко видеть, что при n = 1 частота побочного колебания будет равна частоте зеркальной помехи. При n = 2 частота побочного канала расположена посередине между частотой зеркальной помехи и частотой гетеродина. Амплитуда данного колебания относительно мала, однако его необходимо учитывать и подавлять до преобразователя частоты.

Таким образом, для подавления побочных колебаний необходимо повышать избирательность трактов приема, предшествующих преобразователям частоты, и рационально выбирать частоты преобразования. Многократное преобразование частоты, хотя и увеличивает общее количество побочных каналов приема, но при правильном выборе частот преобразования в целом улучшает избирательность приемника по побочным каналам.

4. Принципы построения частных трактов
радиоприемников

Частные тракты предназначены для оптимальной обработки определенного вида радиосигнала. Радиоприемники, рассчитанные на прием не одного, а нескольких видов сигналов, как правило, имеют столько частных трактов приема, сколько видов сигналов они принимают. Разделение общего тракта приема на частные происходит на последней промежуточной частоте (в унифицированных военных радиоприемниках на частоте 128 кГц).

В частном тракте обеспечивается линейная избирательность по соседним каналам, усиление и демодуляция радиосигнала и усиление первичного сигнала после демодулятора.

4.1. Частный тракт приема телефонных сигналов
с амплитудной модуляцией

Структура частного тракта приема АМ сигналов показана на рис. 3.9. Полосовой фильтр должен иметь полосу пропускания, примерно равную ширине спектра сигнала АЗ, т.е. порядка 7.. .8 кГц. Поскольку прием АМ сигналов часто ведется и при работе с передатчиками с невысокой стабильностью частоты, то ширину полосы пропускания фильтра иногда увеличивают до 15.. .20 кГц.

Рис. 3.9. Частный тракт приема АМ радиосигналов (АЗ)

Усилитель сигналов промежуточной частоты служит для компенсации потерь, вносимых полосовым фильтром, и усиления сигнала до уровня, необходимого для нормальной работы демодулятора. В тракте УПЧ применяется регулировка усиления - автоматическая или ручная (АРУ или РРУ).

В качестве демодулятора используется амплитудный детектор (АД), собранный на нелинейных элементах, как правило, на полупроводниковых диодах.

Как известно, спектр АМ сигнала содержит три составляющие: колебания несущей частоты , колебания нижней и верхней боковых полос. Для нормального функционирования демодулятора в качестве амплитудного детектора достаточно иметь составляющие не трех, а только двух компонент принимаемого радиосигнала – колебания несущей частоты и колебания одной из боковых полос (НБ или ВБ). При этом уровень первичного сигнала на выходе АД будет в два раза меньше, чем при приеме двух боковых полос.

На выходе АД включается простейший фильтр нижних частот, частота среза которого равна максимальной частоте первичного сигнала.

С выхода ФНЧ звуковые колебания поступают в тракт усиления звуковой частоты (УЗЧ), где усиливаются до уровня, обеспечивающего нормальную работу оконечной приемной аппаратуры.

В тракте УЗЧ обычно применяется ручная регулировка усиления, а нагрузкой выходного каскада являются головные телефоны, усилитель динамика или линия (внешняя нагрузка). Очень часто тракт УЗЧ используется одновременно в частных трактах приема таких радиосигналов, как ЧМ и АТ.

4.2. Частный тракт приема телефонных сигналов
с частотной модуляцией

Структура частного тракта приема сигналов РЗ показана на рис. 3.10. Он содержит полосовой фильтр, усилитель, ограничитель, частотный детектор и усилитель звуковой частоты.

Рис. 3.10. Частный тракт приема ЧМ радиосигналов (РЗ)

Ширина спектра ЧМ сигналов зависит не только от спектра первичного сигнала ( ), но и от девиации частоты, и определяется выражением

.

Поэтому необходимая ширина полосы пропускания полосового фильтра на входе тракта при приеме сигналов с девиацией частоты = 5 кГц должна составлять не менее 15... 17 кГц.

В качестве демодулятора ЧМ радиосигналов используются различные типы частотных детекторов (ЧД). Напряжение на выходе ЧД должно быть пропорционально изменению частоты входного сигнала и не должно зависеть от его амплитуды. Для выполнения этого условия перед ЧД в схему включается амплитудный ограничитель, который устраняет возможную паразитную амплитудную модуляцию сигнала. Кроме того, в режиме ограничения наблюдается подавление шумов приемника и подавление помех, имеющих меньший уровень по сравнению с сигналом.

Большинство ЧД построены таким образом, что преобразование ЧМ радиосигнала в сигнал звуковой частоты осуществляется в два этапа: на первом этапе ЧМ радиосигнал преобразуется в АМ радиосигнал, который на втором этапе с помощью амплитудных детекторов преобразуется в первичный сигнал звуковой частоты.

Усилитель звуковой частоты приведенной схемы аналогичен применяемому в частном тракте приема АМ радиосигналов.

При приеме ЧМ сигналов может применяться подавитель шумов. Назначение его состоит в том, чтобы уменьшить шум на выходе У34 при отсутствии ЧМ сигнала на входе приемника. Принцип работы одной из схем подавителя шумов поясняется рис. 3.11.

При отсутствии сигнала на выходе частотного детектора наблюдается шум с достаточно широким и равномерным спектром (рис. 3.11, а). С помощью фильтра , в качестве которого может применяться фильтр верхних частот или полосовой фильтр, выделяются составляющие шума в полосе, лежащей за пределами спектра звукового сигнала. Выделенное напряжение шума усиливается, детектируется и используется для полного или частичного запирания УЗЧ. При наличии ЧМ сигнала с уровнем, превосходящим порог ограничения, уровень шума на выходе частотного детектора вследствие эффекта подавления значительно уменьшается (рис. 3.11, б) и, следовательно, происходит отпирание УЗЧ.

Рис. 3.11. Иллюстрация работы подавителя шумов:

а - спектр шума на выходе частотного детектора;

б - спектры сигнала и шума на выходе частотного детектора

Как следует из принципа работы подавителя шумов, при его включении пороговые свойства приемника ЧМ проявляются более резко и прием слабых сигналов становится невозможным, что эквивалентно ухудшению чувствительности приемника.

4.3. Частный тракт приема телефонных сигналов
с однополосной модуляцией (3J, АЗА, АЗН)

Радиосигналы с однополосной модуляцией (ОМ) широко применяются в военной радиосвязи. Это объясняется их высокой помехоустойчивостью и относительно узким спектром. Ширина спектра ОМ радиосигналов равна спектру первичного сигнала и составляет для военной радиосвязи 3,1 кГц.

Структура частного тракта приема сигналов с однополосной модуляцией (ОМ) показана на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Частный тракт приема однополостных радиосигналов

Он содержит полосовой фильтр, УПЧ, демодулятор и УЗЧ.

Полосовой фильтр на входе тракта имеет полосу пропускания, равную спектру принимаемых радиосигналов

,

и настроен на среднюю частоту

при приеме радиосигналов верхней боковой полосы (ВВП) частот или

при приеме радиосигналов нижней боковой полосы (НБП) частот.

Обычно применяются кварцевые фильтры, аналогичные тем, которые применяются в возбудителе.

Принцип работы демодулятора ОМ сигналов совпадает с принципом работы смесителя. На один его вход подается сигнал, на другой колебание местной несущей с частотой , в идеальном случае равной . На выходе демодулятора выделяется колебание разностной, т.е. звуковой, частоты в диапазоне 0,3...3,4 кГц.

Процесс преобразования сигнала в демодуляторе не зависит от принимаемой полосы частот. Это значит, что тракты приема сигналов ВВП и НБП должны различаться только фильтрами: в одном случае фильтр выделяет сигнал ВВП, в другом – сигнал НБП.

При приеме ОМ сигналов предъявляются высокие требования к точности частоты восстановленной несущей. Ошибка в частоте приводит к смещению спектра звукового сигнала и, естественно, к его искажению. При обычной телефонной работе допустима ошибка = 50... 100 Гц. При этом сохраняется разборчивость речи. Если применяется уплотнение телефонного канала или используется специальная аппаратура, то допустимая ошибка должна быть не более = 10... 12 Гц. При работе в обычных условиях ошибка невелика: она складывается из нестабильности частоты возбудителя и гетеродинов приемника и не превосходит указанных величин.

Другая ситуация возникает при работе с радиопередатчиками, установленными на быстро летящих объектах, когда за счет эффекта Доплера несущая частота сигнала может изменяться по отношению к номиналу на десятки и сотни герц. В этом случае в приемнике необходима автоматическая подстройка частоты (АПЧ).

В частном тракте приема ОМ сигналов применяются автоматическая и ручная регулировка усиления. При работе в режиме АРУ напряжение вырабатывается или за счет усиленного и продетектированного сигнала ВБП или НБП (АРУ по спектру) или за счет выделенного, усиленного и продетектированного пилот-сигнала (АРУ по пилот-сигналу). Второй вариант возможен при приеме сигналов с ослабленной несущей (АЗА) или с полной несущей (АЗН). Напомним, что пилот-сигналом принято называть остаток несущего колебания в спектре ОМ радиосигнала.

[1] Под скважностью импульсной последовательности понимается отношение периода следования импульсов к их длительности.

1 В литературе этот генератор часто называют генератором плавного диапазона (ГПД). Возможны и другие термины.