При имеем Y_BX = 0, т.е. R_BX = . Это эквивалентно параллельному

колебательному контуру при резонансе, когда активное сопротивление
контура для частоты полезного сигнала бесконечно велико.

При отрезок линии эквивалентен индуктивности, а при -

емкости.

Таким образом, отрезки линии определенной длины могут
использоваться в качестве реактивных элементов МЦ.

Рисунок 1.2

На рис. 1.2 изображена ВЦ в виде короткозамкнутого отрезка двух-
проводной линии, нагруженного входной емкостью УП (клеммы 2-2). Для
подключения (внешней емкости) этой линии к источнику сигнала сделаны
отводы 1-1. Так как нагрузкой линии является емкость УП, то сама линия
должна быть эквивалентна индуктивности (для образования контура). Длина

линии должна быть . Пунктиром показано распределение напряжения
вдоль линии, поэтому в данном случае

(конструкции и графические изображения некоторых типов МЦ СВЧ
приведены в [1] -рассмотреть самостоятельно).

3. Схемотехнические особенности УП СВЧ - диапазона. Требования к УП СВЧ

Каждый УП имеет частотный барьер, выше которого он не обеспечивает
требуемого усиления. Это объясняется следующими причинами.

а) наличием межэлектродных емкостей;

б) наличием паразитной индуктивности вводов электродов в корпус;

в) инерцией носителей электрических зарядов.

Рассмотрим их. Большая величина емкости анод-сетка радиолампы С_асограничивает коэффициент устойчивого усиления УП, т.к.

(а для транзистора емкость эмиттер-база).

Рисунок 1.7

Индуктивность ввода катода также снижает усиление за счет

образования паразитного делителя входного напряжения: С_ск – L_вв (См. рис.

1.7), при этом на вход лампы подается лишь некоторая часть действительно

входного напряжения U'_BX < U_BX. Объясняется это так.

С ростом частоты сопротивление частоты емкости С_ск падает, т.к.

, и

увеличивается падение напряжения на индуктивности, т.к. . С
уменьшением напряжения на входе УП, естественно, уменьшается выходное
напряжение.

Инерция носителей заряда приводит к тому, что с ростом частоты ю₀электроны, вылетевшие из катода, не успевают долететь до сетки, как
меняется полярность напряжения на сетке, при этом электроны
возвращаются к катоду, а усиление падает. См. рис. 1.8.

Рисунок 1.8

Для нормальной работы лампы необходимо:

где т - время пролета электронов; h - расстояние «катод - сетка»; v -
скорость пролета электронов; T- период ВЧ - сигнала.

В транзисторах влияние инерции зависит от толщины базы.

Таким образом, УП в СВЧ -диапазоне должен отвечать следующим
конструктивным требованиям:

а) вводы электродов должны быть выполнены в виде утолщенных
коротких штырей (для снижения их индуктивности);

б) электроды должны быть максимально приближены друг к другу (в
транзисторах уменьшена толщина базы); - уменьшается время пролета
электронов;

в) принимать конструктивные меры по уменьшению межэлектродных
емкостей.

На практике, в качестве УП СВЧ -диапазона применяют пентоды и
триоды специальных конструкций, ЛБВ и транзисторы специальных
конструкций.

В заключение отметим еще одну особенность, касающуюся усилителя в
целом. В диапазоне СВЧ РУ строятся как правило по одноконтурным
схемам, либо вообще бесконтурными (безрезонансные усилители - ЛБВ).

Лекция № 12 Регенеративные усилители СВЧ на двухполюсниках

Цель: Изучить принцип действия, основные характеристики,
функциональные и схемотехнические особенности усилителей на
двухполюсниках с отрицательной проводимостью.

Вопросы:

4. Общие сведения о регенеративных усилителях приемников СВЧ и
СВЧ-тюнерах систем спутникового телевидения.

5. Функциональные и схемотехнические особенности усилителей на
двухполюсниках с отрицательной проводимостью проходного
типа. Основные характеристики.

6. Функциональные и схемотехнические особенности усилителей с
отрицательной проводимостью отражательного типа. Основные
характеристики.

Материальное обеспечение: проектор, рисунки 5.1-5.5; 5.26-5.29.

Литература: [2] - стр. 154 - 164.

СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ

1. Общие сведения о регенеративных усилителях приемников СВЧ и
СВЧ-тюнерах систем спутникового телевидения

В качестве малошумящих усилителей (МШУ) в диапазоне СВЧ широко
применяются усилители на двухполюсниках с отрицательной
проводимостью или регенеративные усилители. К ним относятся:

а) полупроводниковые параметрические усилители (ГШУ);

б) усилители на туннельных диодах (УТД);

в) квантовые парамагнитные усилители (КПУ).

Принципы действия этих усилителей основан на способности
отрицательной проводимости (сопротивления) отдавать во внешнюю цепь
электрическую энергию на частоте усиливаемого сигнала.

По конструкции МШУ делятся на усилители проходного и
отражательного типов.

2. Функциональные и схемотехнические особенности усилителей на двухполюсниках с отрицательной проводимостью проходного типа. Основные характеристики.

Рассмотрим усилитель проходного типа. На рис. 5.1 -эквивалентная
схема усилителя.

Рисунок 5.1

Источник усиливаемого сигнала показан в виде
эквивалентного генератора тока I₀ с выходной проводимостью G₀. Кроме
того, показаны L_K, C_K, G_K - собственные параметры резонатора (МЦ); ДОС –

двухполюсник с отрицательным сопротивлением (проводимостью) G. < 0 G_H - входная проводимость нагрузки усилителя; U_H - напряжение на нагрузке.

Определим характеристики усилителя.
Коэффициент передачи мощности (коэффициент усиления). В общем
случае коэффициент усиления определяется

где Р_вх.н - номинальная мощность источника сигнала. Для приведенной
схемы справедливы выражения:

Р = U_H²G_H; Р; U_H = m₂U₁

где U - напряжение на полюсах 1-1 схемы. Напряжение U равно:

С учетом последних выражений имеет:

Вывод: Сравнивая К_р этого усилителя с К_р проходного усилителя, видим, что
при одинаковых К_рег1 у отражательного усилителя К передачи ,примерно,
4 раза выше!

Полоса пропускания - определяется так же, как для проходного

усилителя, т.е.

Площадь усилителя:

При К 1 имеет S = 2 П

Вывод: при одинаковых коэффициентах регенерации площадь усиления
отражательного усилителя вдвое больше, чем у проходного.

Коэффициент шума. На рис. 5.5 - эквивалентная шумовая схема
отражательного усилителя.

Рисунок 5.5

Она отличается отсутствием шума нагрузки (нет
соответствующего шумового генератора). Как отмечалось, благодаря
циркулятору, шум смесителя поступает не в резонатор, а в поглотитель
циркулятора. Поэтому:

Для уменьшения коэффициента шума следует:

а) охлаждать резонатор и ДОС;

б) Уменьшать потери сигнала в резонаторе и ДОС;

в) увеличивать связь резонатора с источником сигнала m .
Таким образом, усилители отражательного типа обладают лучшими

характеристиками , но более сложны из-за наличия циркулятора.

Лекция№13 Регенеративные усилители, наиболее часто

применяемые на практике и их характеристики

Цель: Изучить принцип действия и характеристики ППУ и УТД.

Вопросы: 1. Принцип действия ППУ.

2. Основные типы ППУ. Одноконтурные и двухконтурные ППУ.

3. Характеристики двухконтурного ППУ отражательного типа.

4. Принцип действия УТД.

Материальное обеспечение: проектор, рис. 5.11-5.22.

Литература: [2]─ стр. 187-201.

Содержание лекции

1.Принцип действия ППУ

С начала для простоты принцип действия ППУ рассмотрим с помощью упрощённой модели, состоящей из воздушного конденсатора, пластин которого можно механически раздвигать.

Рисунок 5.11

В исходном состоянии (рис. 5.11.а) зарядим конденсатор ёмкостью до

напряжения . Заряд конденсатора определяется выражением

Энергия, накопленная в конденсаторе, определяется как

Раздвинем пластины. Ёмкость конденсатора уменьшится в κ-раз, где κ >1,т.е.

(См. рис.5.11.б). Заряд конденсатора при этом останется прежним,т.е.

Значит напряжение на конденсаторе возрастёт в κ-раз, т.е.

Условие неизменности заряда можно описать как

Определим энергию, накопленную в конденсаторе после уменьшения его ёмкости:

Таким образом, при уменьшении ёмкости в κ-раз энергия поля конденсатора

увеличивается в κ-раз. Приращение энергии происходит за счёт внешней силы, раздвигающей пластины.

Рисунок 5.12

Включим конденсатор, ёмкость которого может изменяться, в колебатель- ный контур (рис. 5.12.а). Когда ёмкость не меняется и равна , то напряже-

ние на нём описывается гармоническим законом (пунктир на рис.). Если же

каждый раз, когда напряжение на конденсаторе достигает амплитудного

значения, уменьшать ёмкость до , а когда напряжение равно 0, возвращать прежнее значение ёмкости , то напряжение на контуре будет возрастать (сплошная линия на рис.).

Устройство, изменяющее ёмкость, называется генератором накачки. Мощность сигнала в контуре будет расти до тех пор, пока рассеиваемая

мощность на сопротивлении R ни станет равной мощности генератора накач-

ки. Из рис. 5.12.б следует, что для максимального усиления частота накачки

должна быть вдвое выше частоты сигнала, т.е.

Изменяющаяся ёмкость является параметром колебательного контура (КК),

поэтому такие усилители называются параметрическими.

Естественно, что управлять ёмкостью механически с частотой, вдвое большей частоты сигнала, невозможно. Поэтому в качестве управляемой ёмкости используют ёмкость p-n-перехода полупроводника, которая может меняться внешним электрическим напряжением. Наиболее часто использует-

ся варикап-диод с электрически меняющейся ёмкостью p-n-перехода.

На рис. 15.13 ─ вольтфарадная характеристика варикапа и характер изменения

ёмкости с(t).

Рисунок 15.13

─исходное напряжение смещения ,запирающее диод (Полное

запирание диода принципиально необходимо. В данном случае варикап используется только как переменная ёмкость. Если диод не запирать, то протекающий ток будет дополнительным источником шума, что не допусти-

мо в МШУ).

Напряжение накачки, приложенное к p-n-переходу, действует одновременно с усиливаемым сигналом. Ёмкость диода под действием накачки становится функцией времени и её можно представить рядом Фурье, т.е.

где ─ постоянная составляющая ёмкости.

Обычно используют первую гармонику ёмкости, т.е. полагаем:

где ─ коэффициент вариации ёмкости.

Напряжение смещения и амплитуда накачки выбираются так, чтобы

обеспечить условие . В противном случае диод будет периодичес-

ки открываться, через него будет протекать ток, увеличатся потери, снизится уси-

ление сигнала и как отмечалось , увеличится коэффициент шума усилителя .

Рисунок 5.14

Полная эквивалентная схема запертого диода ─ на рис. 5.14.а,

где ─ индуктивность ввода диода в резонатор; ─ ёмкость патрона ,куда

вставлен диод; ─ сопротивление потерь; с(t) ─ ёмкость p-n-перехода.

Элементы ,,─ паразитные. Из них и можно скомпенсировать настройкой внешних колебательных систем. Сопротивление неустранимо.

Оно ─ источник тёплого шума.

При анализе схемы удобно пересчитывать в проводимость , подключаемую параллельно c(t). Тогда схема упрощается и принимает вид,

показанный на рис. 13.4.б, где . Величина определяется как

,где─ частота настройки контура (резонатора), куда включен диод.

2. Основные типы ППУ. Одноконтурный и двухконтурный ППУ

2.1. Одноконтурные ППУ

Рисунок 5.15

На рис. 5.15.а ─ упрощённая схема одноконтурного ППУ отражательного типа, а на рис. 5.15.б ─ проходного типа (В отражательных ППУ вход и выход совмещены циркулятором .В проходных ППУ вход и выход разнесены)

Различают синхронный и несинхронный режимы работы ППУ. При синхронном режиме . При этом требуется жёсткая фазовая синхронизация полезного сигнала и накачки. Это ─ существенный недостаток. При несинхронном режиме выбирают . В этом случае через диод будет протекать токи с частотами: ; ; ;; и т.д. Тока с частотами называются токами холостой частоты ().Если разница между и мала, то эти частоты падают в полосу пропускания сигнального контура (см. рис. 5.16).

Рисунок 5.16

В этом случае к контуру прикладывается суммарное напряжение . Фаза суммарного напряжения одновременно зависит от и от, за счёт чего обеспечивается автоматическая синхронизация. Вместе с тем усиление суммарного сигнала эквивалентно усилению слагаемых, причём каждое из слагаемых несёт полезную информацию (). Т.к. описываемые процессы проходят в одном (сигнальном) контуре, такие ППУ называются одноконтурными.

Для выделения полезного сигнала на выходе одноконтурного ППУ необходимо поставить фильтр, настроенный на частоту или . Однако в силу узкополосности ППУ такая фильтрация в любом случае будет затруднена. Прохождение же на выход сигналов обоих частот сразу может привести к искажениям полезного сигнала из-за возникновения биений между частотами и . В этом ─ недостаток схемы.

2.2 Двухконтурные ППУ

Схема приведена на рис. 13.7.

Рисунок 5.17

Для разноса сигнальной и холостой частот увеличивают , а к диоду подключают второй контур. Один контур настраивается на , второй ─ . Этим устраняются недостатки предыдущей схемы.

На рис. 5.17 ─ ППУ отражательного типа, но если исключить циркулятор, а нагрузку подключить к сигнальному контуру, то схема преобразуется в ППУ проходного типа.

3. Характеристики двухконтурного ППУ отражательного типа

Двухконтурные ППУ отражательного типа находят наибольшее практическое применение. Его эквивалентная схема ─ на рис. 5.19.

Рисунок 5.19

Сигнальный и холостой контуры связаны между собой диодом, который также представлен своей эквивалентной схемой.

Рассмотрим основные характеристики этого ППУ. Отрицательная проводимость, вносимая диодом в сигнальный и холостой контур, описывается выражением:

Коэффициент усиления по мощности и полоса пропускания описываются полученными ранее выражениями для отражательного ППУ, т.е.

; .

Рассмотрим ещё один важный параметр ППУ ─ критическую частоту параметрического диода.

Усиление с данным диодом возможно, если , т.е. если диод способен компенсировать собственные потери. С учётом известных выражений запишем:

откуда следует:

; .

В предельном случае, когда (нет усиления) имеем

Для одноконтурного ППУ , поэтому

Это выражение определяет критическую частоту параметрического диода. Критическая ─ это такая частота ,при которой и выше которой усиление сигнала в ППУ не возможно .Для двухконтурного ППУ имеем,; ,т.е. чем сильнее неравенство, тем большее усиление возможно с данным диодом. Для повышения усиления надо выбирать диоды с малой постоянной времени и максимальным коэффициентом вариации ёмкости,т.е. с большей критической частотой. Коэффициент шума ППУ определяется по рассмотренной выше методике (Вывод выражения для Ш ─ самостоятельно). При оценке коэффициента шума следует знать ,что его минимум обеспечивается при выборе частоты из условии: .ППУ даже без охлаждения имеет низкий коэффициент шума, порядка: Ш=1,15…1,2.4.

Принцип действия УТД

Принцип действия УТД основан на особенности его ВАХ, которая имеет падающий участок (рис. 5.6).

Рисунок 5.6

Если на этом участке выбрать рабочую точку, то туннельный диод (ТД) становится эквивалентным отрицательной проводимости, т.к. в это точке .Поэтому включение ТД в резонатор приводит к усилению колебаний полезного сигнала. Усиление происходит за счёт энергии источника напряжения смещения, с помощью которого выбирается рабочая точка.Принцип действия УТД удобно рассматривать в совокупности с конструкцией усилителя.

Рисунок 5.7

На рис. 5.7 схематически изображена конструкция УТД с коаксиальным резонатором. ТД включён в разрыв центрального стержня резонатора. Резонатор настраивается на частоту усиливаемого сигнала. Через блокировочный конденсатор , представляющий собой короткое замыкание для тока частоты сигнала , к ТД подводится напряжение смещение. Величина устанавливается подбором значений и , где ─ напряжение холостого хода источника смещения ; ─ внутреннее сопротивление источника смещения. С источником сигнала (антенной) и с нагрузкой (смесителей) резонатор связан через циркулятор, т.е. данный УТД является усилителем отражательного типа.Необходимое напряжение смещения определяется выражением: .

При неправильном выборе и нагрузочная характеристика может пересекать ВАХ в точках А,Б,С, поэтому в момент включения УТД рабочая точка может случайно оказаться в точках А или С, где усиление невозможно (это ─ возрастающие участки ВАХ). Для устойчивой работы УТД необходимо выполнить условие:

Таким образом, выбор параметров и осуществляется на основе приведённых выражений одновременно, при этом значения ,, считаются заданными.

Тема№5. Обработка сигналов в преобразователях частоты
РПрУ.

Лекция№14. Основы теории преобразования частоты.

Цель: изучить теоретические основы построения преобразователя

частоты (ПЧ) и его основные характеристики.
Вопросы: 1. Общие сведения о ПЧ.

2. Устройство и принцип действия ПЧ. Математи-

ческое обоснование принципа действия ПЧ.

5. Преобразование частоты на нелинейном элементе.

6. Амплитудно-частотная характеристика ПЧ и помехо-
вые каналы приёма. Выбор промежуточной частоты.

Материальное обеспечение: проектор, рис. 4.1-4.13.
Литература: [2] —стр. 165-187.

Содержание лекции

1. Общие сведения о ПЧ

Преобразователь частоты (ПЧ) предназначен для переноса
модулирующего сигнала с одной несущей частоты на другую с целью
понижения несущей частоты. Частота, на которую переносится
модулирующий сигнал, называется называется промежуточной частотой

Цели понижения частоты:

1) На более низкой частоте проще осуществить устойчивое усиление

сигнала, т.к. при этом возрастает проводимость УП и

уменьшается проводимость а коэффициент устойчивого
усиления увеличивается, т.к.

К_0уст = 0,42

2) На более низкой частоте проще осуществить селекцию сигнала

(избирательность σ), т.к. МЦ можно выполнить на элементах с

сосредоточенными параметрами и добиться требуемых
характеристик.

3) На более низкой частоте проще сузить полосу пропускания
приёмника до ширины спектра усиливаемого сигнала, уменьшив при
этом шумы, т.к.

На рис. 4.1 — функциональная схема ПЧ. Он состоит из смесителя (СМ),
генератора смодулированных колебаний, который называется гетероди-
ном (Г), и фильтра (Ф).

Рисунок 4.1

В СМ происходит „вычитание" частот сигнала fc и гетеродина f_r по
одной из схем:

или

В результате-образуется промежуточная частота f, меньше сигнальной,

т.е.

Как следует из этих выражений, настройка гетеродина может быть верх-
ней (когда ) или нижней (когдаf<f). В обоих случаях спектр
радиосигнала можно перенести на одну и ту же промежуточную частоту.
Закон модуляции при этом не изменяется!

Отличие верхней настройки гетеродина от нижней состоит лишь в том, что
при ней происходит инвертирование (переворачивание) спектра, что не
отражается на качестве приёма сигналов (см. рис. 4.2).

Рисунок 4.2

Основное требование к ПЧ: перенести модулирующий сигнал на низкую
несущую частоту с минимальными искажениями (или без них). Рис. 4.3
поясняет, что огибающая модулированного сигнала до ПЧ и последнего не
должна меняться.

Рисунок 4.3

Как отмечалось, приёмники с преобразованием частоты называются
супергетеродинными. Они обладают наиболее высокими

чувствительностью и избирательностью. Кроме того, эти приёмники просто
перестраивать в диапазоне рабочих частот, не ухудшая их характеристики,
т.к. перестройка осуществляется входной цепью и гетеродином. УПЧ не
перестраивается, т.к. промежуточная частота, при таких перестройках не
меняется.

2. Устройство и принцип действия ПЧ. Математическое
обоснование принципа действия ПЧ

Покажем, что устройство, способное перемножать два гармонических
сигнала, можно использовать в качестве смесителя.
Пусть на входы перемножителя подаются: напряжение полезного сигна-

ла и напряжение гетеродина и

Рисунок 4.4

(См. рис.4.4). На основании известной тригонометрической формулы

на выходе перемножителя следующее:
Таким образом, на выходе перемножителя получаются спектральные
составляющие с разностной () и суммарной частотами.
Полезным результатом следует считать разностную (пониженную)
частоту, т.е первое слагаемое:

где k— коэффициент пропорциональности,

Обозначим: тогда

или

Выводы: 1) Изменения амплитуды напряжения промежуточной частоты
соответствуют изменениям амплитуды полезного (входного)
сигнала.

2) Фаза входного сигнала переносится на промежуточную часто-
ту. Следовательно, на выходе ПЧ фазовая и частотная моду-
ляции также сохраняются.

3) Фаза напряжения промежуточной частоты зависит от фазы
напряжения гетеродина. Следовательно, если гетеро-
дин — нестабильный генератор, то это приведёт к нестабиль-
ности сигнала на выходе ПЧ (это вредное явление).

3. Преобразование частоты на нелинейном элементе

Покажем, что нелинейный элемент (НЭ) может выполнять функции
смесителя. На рис. 4.5 — эквивалентная схема ПЧ. НЭ показан в виде 4-х
полюсника.

Рисунок 4.5

На входе НЭ действуют три напряжения: полезный входной
сигнал и напряжение гетеродина
постоянное напряжение смещения Е, с помощью которого выбирается

рабочая точка на проходной характеристике НЭ. (Для простоты полагаем
начальные фазы U_с и U_r равными нулю).

К выходу НЭ подключен колебательный контур (фильтр), настроенный
на промежуточную частоту _пр. Возможные схемные варианты НЭ и их

проходные характеристики показаны на рис. 4.6 а).

Рисунок 4.6а

Независимо от кон ретного вида НЭ предположим, что задана
обобщённая проходная характеристика i=f(U), а также заданы: U_с,U_r,Е₀.
Полагаем, что U_с<<U_r ,Если сигнал U_с мал, то любой участок характерис-
тики будет для него практически линейным, тем самым сохраняется на
выходе ПЧ закон модуляции входного сигнала. Вместе с темдля напряженияU_r характеристика должна быть нелинейной.

Выберем для определённости верхнюю настройку гетеродина, т.е.

(см. рис.4.6.б).

Рисунок 4.6б.

Под действием большого напряжения

гетеродина и, рабочая точка перемещается по проходной характеристике

относительно исходного положения е₀ (на участке А-В). При этом малый

полезный сигнал U_r попадает на участки характеристики с различной

крутизной.

Покажем, что при этом в выходном токе НЭ образуется и ток
промежуточной частоты. Итак, с учётом действия гетеродина
результирующее смещение рабочей точки определяется как

Е = Е₀ +U_r cos_rt,

Полное же напряжение на входе СМ равно U = Е + U_с Такая проходная
характеристика примет вид:

I=f(U)=f(E+U_c).
Так как рабочая точка перемещается по характеристике, разложим
последнее выражение в ряд Тейлора по степеням малого входного сигнала
и_с относительно переменной рабочей точки Е:

i = f(E) ₊ (E)U_c ₊ (E)U²_c₊...

Первое cлагаемое f(E) отражает появление на выходе СМ постоянной
составляющей тока. Оно не содержит тока промежуточной частоты и не
представляет интереса. Его убирают из выходного сигнала фильтром.

Третьим и последующими слагаемыми пренебрегают из-за малости
величин ....

Рассмотрим второе слагаемое:

(E)U_c=Y₂₁(t)U_ccos_ct.

где Y₂_l(t) = (E)— крутизна проходной характеристики, меняющаяся во
времени под действием гетеродина. Представим Y₂₁(t) рядом Фурье, т.е.

Y(t)=Y +Y icos _r t+Y 2cos2 t+...
где Y21 од,2— амплитуда гармоник крутизны характеристики. Для простоты примем
Подставляя последнее выражение в исходное, получим:

f'(E)U =Y U_c cos + Y U cos t cos _rt + Y U_c coscos2_rt + ....

Если применить известную тригонометрическую формулу cos cos, то
увидим появление на выходе СМ токов с комбинационными частотами \

n_r ±_с; где n=1,2,3.........................................................

В качестве промежуточной частоты можно использовать любую из
частот вида n_r -_с, где n — порядок преобразования. При n=1 имеем
преобразование первого порядка, или простое преобразование. Для
технической реализации необходимо выходной контур настроить на
частоту _r -_с, . На практике обычно используют именно простое

преобразование.
Таким образом, при простом преобразовании ток промежуточной
частоты определяется выражением:

Напряжение, создаваемое этим током на выходном контуре, равно

где r_э — эквивалентное резонансное сопротивление контура (на частоте)

Выводы: 1) НЭ может выполнять функции перемножителя (или смесителя).
2) Для выделения напряжения промежуточной частоты на выходе
НЭ необходим фильтр (контур), настроенный на частоту ,

4. АЧХ преобразователя и помеховые каналы приёма.
Выбор промежуточной частоты

Особенность процессов, происходящих в ПЧ, приводит к тому, что АЧХ
имеет большое количество максимумов, т.е. множество реальных каналов
прохождения сигналов.

Предположим, что f_r=const и f=const.Ecли к входу ПЧ подключить ГСС
и плавно увеличивать его частоту, начиная от f_c=0, то первый максимум
напряжения на выходе ПЧ будет соответствовать прямому прохождению
сигнала на выход ПЧ без преобразования. Это имеет место, если входной

где , , ...- амплитуды гармоник модулирующего сигнала,
появляющиеся на выходе АД из-за нелинейности ДХ.

Частотная характеристика (ЧХ) - зависимость коэффициента передачи
К_д от частоты модулирующего сигнала . (Рис. 2.6)., К_д = f().

Рисунок 2.6

С ростом частоты . коэффициент К_д уменьшается, т.к. при этом уменьшается
сопротивление С_н.

3. Функциональные и схемотехнические особенности РПрУ с амплитудной модуляцией сигналов. Типы АД.

3.1 Детекторы импульсных сигналов.

Детектирование импульсных сигналов осуществляется диодными АД,
при этом принцип действия схем остается прежним.

Импульсные детекторы делятся на: а) детекторы радиоимпульсов; б)
пиковые детекторы.

Детекторы радиоимпульсов предназначены для выделения огибающей
каждого радиоимпульса, поступающего на вход АД.

Рисунок 2.25

На рис. 2.25 показан процесс детектирования прямоугольного импульса длительностью _вх. На рис. а)
показано, как за счет циклов «заряд-разряд» конденсатора С_н формируется
напряжение U_H на нагрузке. Из-за инерционности нагрузки АД форма

выходного видеоимпульса отличается от входного радиоимпульса _вых >_вх, появляются передний и задний растянутые фронты.

Для того , чтобы АД работал в качестве детектора радиоимпульсов _унеобходимо выполнить условия:

Пиковый детектор предназначен для выделения огибающей всей последовательности радиоимпульсов, поступающей на вход АД (рис. 2.28).

Рисунок 2.28

На рис. а) - входная последовательность импульсов, модулированная (для наглядности) по амплитуде. На рис. в) - результат пикового детектирования. На рис. б) показано, что было бы при этом на выходе детектора радиоимпульсов. На рис. г) показано, что детектор из-за большой инерционности реагирует лишь на «пики», т.е. на отдельные импульсы (отсюда название).

Принцип работы АД - прежний. Но, чтобы детектор работал как пиковый, необходимо выполнить условия:

где Т_п - период следования радиоимпульсов.

3.2. Параллельный диодный АД.

Все рассмотренные выше АД относятся к классу последовательных, т.к. диод и резистор R_H включены последовательно по отношению к источнику сигнала - контуру УПЧ.

На практике часто применяются параллельные диодные АД, у которых диод и резистор R_H включены параллельно источнику сигнала. Конденсатор С_нв этих схемах одновременно играет роль разделительного конденсатора С_Рпеременного и постоянного токов (рис. 2.29).

Рисунок 2.29

Благодаря последнему, параллельный АД можно подключать к контурам, находящимся одновременно под переменным и постоянным напряжением. В этом преимущества параллельной схемы.

Принцип действия почти не отличается от уже рассмотренных схем. Во время действия отрицательной полуволны входного напряжения конденсатор С_н заряжается через диод, при этом При положительной полуволне диод заперт и происходит разряд конденсатора С_н, причем _разр = R_нC_н. Так как на , то на резисторе R_н, соединенном параллельно с С_н, образуется выпрямленное напряжение , пропорциональное амплитуде входного сигнала. Все формулы, полученные для последовательного АД, остаются в силе.

Недостатки схемы:

1) отсутствует фильтрация ВЧ-напряжения на нагрузке, т.е. вместе с выпрямленным на выход поступает всё ВЧ-колебание, т.е.

Для исключения этого недостатка используют дополнительный фильтр С_Ф, не пропускающий ВЧ-сигнал (но усложняющий схему). Элементы фильтра выбирают так:

2) Схема имеет меньшее входное сопротивление

( у последней схемы

3.3. Транзисторные АД.

Кроме диодных часто применяют транзисторные АД. На рис. 2.3 - схема коллекторного АД.

Рисунок 2.3

Роль НЭ играет транзистор VT. Нагрузка R_нC_н включена в коллекторную цепь. Резисторы R1 и R2 обеспечивают выбор рабочей точки. Фильтр _ф препятствует прохождению токов ВЧ и модулирующей частоты через источник питания. Кроме того, , и R_н обеспечивают режим питания VT. Конденсаторы С_р - разделительные.

Для осуществления детектирования используется нелинейность проходной характеристики транзистора (рис. 2.31) i_k = f(U_бэ).

Рисунок 2.31

Рабочая точка выбирается так, что транзистор работает с отсечкой коллекторного тока. Во время действия отрицательной полуволны входного напряжения транзистор открывается и конденсатор С_н заряжается коллекторным током (рис. 2.30). При положительной полуволне транзистор закрыт и С_н разряжается через R_H.

Элементы схемы выбираются так, чтобы . Поэтому на параллельно соединенных R_н и С_н образуется выпрямленное напряжение (рис. 2.31), зависящее от амплитуды входного сигнала. Переменная составляющая этого напряжения через С_р поступает на выход АД.

Достоинства схемы: большой коэффициент передачи К_д>>1, т.к. наряду с детектированием осуществляется усиление сигнала. Недостатки: 1) Низкое входное сопротивление; 2) Большой нелинейный участок ДХ.

Если элементы R_н и С_н включить в эмиттерную цепь транзистора, получим эмиттерный АД. Выходной сигнал при этом снимается с эмиттера.

Достоинства: 1) большое входное сопротивление; 2) высокая линейность ДХ.

Недостаток: низкий коэффициент передачи К_д < 1.

Если нагрузку R_HC_H включить как в коллекторную, так и эмиттерную цепи, получим коллекторно-эмиттерный АД. Выходной сигнал при этом снимается с коллекторной цепи. Этот АД сочетает положительные свойства обеих рассмотренных выше транзисторных схем АД.

В общем случае транзисторные АД не находят широкого применения из-за сравнительно низкой линейности ДХ и малого входного сопротивления. Кроме того, они сложнее диодных схем.

Лекция№16. Искажение сигналов в АД и способы борьбы с ними. Приёмники с однополосной модуляцией.

Цель: изучить признаки проявления, причины возникновения и пути устранение искажений сигналов в АД.

Вопросы: 1. Частотные (линейные) искажения сигналов в АД

2. Нелинейные искажения, обусловленные инерционностью нагрузки.

3. Нелинейные искажения, обусловленные влиянием переходной цепи.

4. Особенности РПрУ с однополосной модуляцией сигналов.

Материальное обеспечение: проектор, рис.2.18-2.24.

Литература: [2]─ стр. 215-218, 343-348.

Содержание лекции

Частотные (линейные) искажения сигналов в АД и способы борьбы с ними

В АД могут возникать линейные и нелинейные искажения сигналов. Линейные искажения часто называют частотными, т.к. определяют вид частотной характеристики АД. В АД эти искажения не изменяют спектр выходного сигнала, но нарушают амплитудные соотношения на низких и высоких модулирующих частотах. Искажения обусловлены влиянием конденсаторов и

Нелинейные искажения изменяют спектр сигнала. Они обусловлены нелинейностью ВАХ диода, а также инерционностью нагрузки АД и влиянием переходной цепи. Но при сильном входном сигнале (1…2В) нелинейность ВАХ можно не учитывать, поэтому этот вид искажений не рассматривается. Рассмотрим подробней частотные искажения. Схема АД совместно с переходной цепью приведена на рис. 2.18.

Рисунок 2.18

Ранее, при рассмотрении ЧХ отмечалось, что из-за конденсатора происходит снижение коэффициента передачи на верхних модулирующих частотах, что приводит к завалу ЧХ на этих частотах по сравнению со средними модулирующими частотами. На этих частотах нарушаются амплитудные соотношения между выходным и входным сигналами.

Другой конденсатор, не входящий в состав АД, ─ разделительный , вызывает завал ЧХ на нижних модулирующих частотах . Этот конденсатор совместно с образует делитель выходного напряжения АД. При понижении частоты конденсатор представляет собой большое сопротивление На нём падает большое напряжение, а напряжение, снимаемое с и подаваемое в нагрузку, уменьшается. Другими словами, происходит уменьшение амплитуды выходного сигнала на пониженных модулирующих частотах. Общий вид ЧХ приведен на рис. 2.19.

Рисунок 2.19

Частотные искажения оцениваются коэффициентами частотных искажений:

─ на нижних частотах; ─ на верхних частотах. Коэффициенты определяются так

; ,

Где , , ─ коэффициенты передачи АД на средних, низких и верхних частотах модуляции соответственно. Обычно

Рассмотрим пути снижения этих искажений. На рис. 2.17 ─ линейная эквивалентная схема АД для верхних частот .

Рисунок 2.17

На схеме не показано , т.к. >> (и проводимость его мала). Сопротивление для большой частоты можно считать коротким замыканием. Учитывая, что собственно диод можно представить эквивалентным генератора тока с выходной проводимостью , где – крутизна детектора, то становится ясным вид приведённой эквивалентной схемы. С помощью этой схемы определим комплексный коэффициент передачи АД , т.е.

Выходное напряжение диода определим как ток, делённый на суммарную проводимость элементов , ,, т.е.

Учитывая, что входное напряжение АД , получим

Обозначим , тогда

АЧХ – модуль , т.е.

Как следует из последнего выражения, максимальное значение будет при ,т.е.

Поэтому можно считать,что . Откуда получим коэффициент :

Теперь определим величину, при которой частотные искажения на верхних частотах малы, т.е.

; .

На практике сначала задаются допустимым значением , а затем определяют соответствующее значение . Аналогично определим допустимую величину . Для этого воспользуемся эквивалентной схемой АД для низких частот (см. рис. 2.20).

Рисунок 2.20

Теперь на схеме отсутствует конденсатор , т.к. на низких частотах >>, а проводимость мала. По аналогии с предыдущим можно показать, что для исключения завала ЧХ на низких частотах величина должна выбираться из условия:

где ; .

Величина –эквивалентная проводимость, учитывающая проводимости входа, диода и резистора нагрузки.

Нелинейные искажения, обусловленные инерционностью нагрузки и способы борьбы с ними

При нелинейных искажениях форма продетектированного сигнала не повторяет форму огибающей входного сигнала. Искажения, появляющиеся из-за слишком большой инерционности нагрузки АД, показана на рис. 2.21.

Рисунок 2.21

До точки А напряжение на конденсаторе успевает следить за возрастающей амплитудой входного сигнала. На этом участке искажений нет. На участке А-В из-за слишком большой величины напряжение на не отслеживает форму входного сигнала. Здесь диод заперт, а конденсатор разряжается просто по закону экспоненты. Для устранения этих искажений скорость изменения напряжения в точке А должна быть выше скорости изменения амплитуды входного сигнала, т.е.

причём это условие должно выполняться для любой точки нисходящего участка огибающей входного сигнала.

Математически можно показать, что для исключения этих искажений необходимо

где m – глубина модуляции входного сигнала.

На практике обычно , поэтому

Причём сначала обеспечивают условие , а затем

Нелинейные искажения, обусловленные влиянием переходной цепи и способы борьбы с ними

При подаче на АД АМ- сигнала вида

на нагрузке как известно образуется суммарное выпрямленное напряжение

Разделительный конденсатор задерживает постоянную составляющую и на нём всегда присутствует это постоянное напряжение. Причём при имеем ; . Выпрямленное напряжение на нагрузке АД имеет вид, показанный на рис.2.22.

Рисунок 2.22

Конденсатор имеет большую ёмкость, т.е. >>, и в заряженном состоянии он эквивалентен источнику постоянного напряжения. На рис.2.23 изображён диод с переходной цепью.Конденсатор разряжается через резисторы и .

Рисунок 2.23

На создаётся напряжение, подзапирающее диод на отрезке времени . Это напряжение равно

На интервале диод заперт, напряжение на нагрузке не отслеживает входное напряжение. Происходит отсечка напряжения

Для исключения этих искажений необходимо

С учётом двух последних выражений получим

или .

Чем больше m и меньше ,тем меньше должно быть (для устранения искажений). Однако с уменьшением уменьшается входное сопротивление АД, что плохо (). Для сохранения необходимого входного сопротивления и одновременно снижения искажений, часто на практике применяют схему АД с разделённой нагрузкой (рис. 2.24).

Рисунок 2.24

На этой схеме в качестве используется сумма резисторов , т.е. большое сопротивление нагрузки, а на искажения при этом будет влиять лишь резистор , величина которого мала.

Особенности РПрУ с однополосной модуляцией сигналов

Как отмечалось ,при АМ сигнала имеет место симметричное расположение спектральных составляющих относительно несущей частоты, т.е. избыточность информации. Существует метод радиоприёма сигналов с одной боковой полосой частот (ОБП) с подавленной (частично или полностью) несущей. Этот метод имеет ряд преимуществ, заключающихся в экономии ширины спектра излучения радиопередатчика и его мощности. Кроме того, улучшается отношение из-за сужения в 2 раза полосы пропускания приёмника. Однако для осуществления этого метода радиоприёма требуется изменение структуры РпрУ. Изменения сводятся к следующему. Так как на передающей стороне подавляется одна из боковых полос вместе с несущей то на приёмной стороне уровень сигнала, необходимый для детектирования, оказывается недостаточным. Поэтому в структуру приёмника вводят вспомогательный генератор(„генератор несущей”), частота которого должна быть равна частоте принимаемого сигнала.

Возможны и другие способы детектирования сигналов с ОБП – с помощью синхронного (когерентного) детектора или балансного детектора АМ-сигнала. Синхронный детектор рассматривался выше, как частный случай ПЧ. Балансное амплитудное детектирование будет рассматриваться далее, как частный случай фазового детектирования.

Лекция№17. Особенности РПрУ частотно-модулированных и фазомодулированных сигналов. Детектирование в цифровых и стереофонических приёмниках.

Цель: изучить функциональные и схематические особенности частотного и фазового детектирования, а также детектирования в цифровых и стереофонических приёмниках.

Вопросы:

1. Функциональные и схематические особенности частотных детекторов.

2. Функциональные и схематические особенности фазовых детекторов.

3. Особенности детектирования цифровых радиосигналов.

4. Особенности детекторной обработки стереофонических сигналов.

Материальное обеспечение: проектор, рисунки: 2.25; 3.1-3.7; 3.17-3.21.

Литература: [2]─ стр. 224-236; 296-299; стр.312-314.

Содержание лекции

Функциональные и схематические особенности частотных детекторов

При частотной модуляции по закону модуляции изменяется частота ВЧ-колебания, а его амплитуда остаётся постоянной. Так, при гармоническом законе модуляции частота изменяется в соответствии с выражением:

где ─ несущая (средняя) частота;

─ амплитуда отклонения частоты от среднего значения (девиация частоты);

─ частота модуляции.

Величина

называется индексом частотной модуляции. Различают узкополосную (<<1) и широкополосную (>>1) частотную модуляцию (ЧМ).

На рис. 3.1.а) в соответствии с приведённым выражением показано, как изменяется частота при ЧМ, а на рис. 3.1. б) показано, как выглядит ЧМ-колебание.

Частотные детекторы (ЧД) предназначен для преобразования ЧМ-колебания высокой частоты в напряжение, меняющееся по закону частотной модуляции. Рассмотрим основные характеристики ЧД:

1) Детекторная характеристика (ДХ) ─ это зависимость постоянного (выпрямленного)напряжения на выходе детектора от частоты входного сигнала, т.е. , (рис. 3.2).

2) Крутизна ДХ ─ определяется выражением:

В общем случае ДХ нелинейна, поэтому крутизна определяется в точке ДХ зависит от амплитуды входного сигнала. Чем больше , тем круче ДХ (рис. 3.3).

3) Коэффициент передачи ЧД ─ это отношение амплитуды НЧ-сигнала на выходе ЧД к амплитуде ВЧ входного сигнала:

Величина определяется при максимальной девиации частоты . На основании рис. 3.4. имеем .

Тогда

Из выражения следует, что, чем больше крутизна ДХ, тем больше коэффициент передачи.

Кроме этих показателей, качество ЧД оценивается следующими характеристиками: коэффициентом нелинейных искажений, коэффициентом фильтрации, входным сопротивлением. Эти характеристики определяются так же, как для АД.

Функциональная схема ЧД изображена на рис. 3.5. Детектирование идёт в два этапа. Сначала изменения частоты входного сигнала преобразуются в изменения его амплитуды, а затем АМ-сигнал детектируется обычным АД.

В качестве простейшего ЧД может использоваться одиночный колебательный контур с подключённым к нему АД. Контур играет роль преобразователя вида модуляции. Для этого контур должен быть расстроен относительно средней частоты ЧМ-колебания (рис. 3.6).

Рис.3.7 поясняет процессы, происходящие в таком ЧД. Так как рабочая выбрана на скате резонансной характеристики контура (рис. 3.7.а), то ВЧ-напряжение на контуре будет зависеть от частоты входного сигнала .

При приближении к резонансной частоте контура напряжение на нём будет возрастать, при удалении─ уменьшаться (рис. 3.7.б). В результате на выходе АД появится сигнал, повторяющий закон модуляции частоты входного сигнала (рис. 3.7.в). Недостатком этого ЧД является большая нелинейность ДХ, т.к. скаты резонансной характеристики контура нелинейны. Существуют ЧД с лучшими характеристиками, но у них преобразователи вида модуляции сигнала ЧМ-АМ намного сложной. К таким ЧД относятся: дифференциальный детектор с расстроенными контурами, дифференциальный детектор с настроенными контурами (или частотный дискриминатор), детектор отношений (или дробный детектор). Не смотря на большую сложность названных ЧД общий принцип детектирования остаётся прежним.

2. Функциональные и схематические особенности фазовых детекторов.

Фазомодулированное ВЧ-колебание имеет вид

где ─ фаза колебания, в законе изменения которой заключена передаваемая информация.

При простой гармонической модуляции можно записать

где ─ амплитуда изменения фазы (девиация фазы);

─ частота модулирующего сигнала.

Для извлечения информации напряжение на выходе ФД должно изменяться в соответствии с последним выражением.

Для обеспечения детектирования в ФД всегда используется некоторое опорное ВЧ-напряжение с постоянной начальной фазой вида

Частота опорного напряжения должна быть равна частоте полезного сигнала, т.е.

а фаза опорного напряжения должна обеспечивать линейное детектирование.

В общем случае напряжение на выходе ФД зависит от соотношения величин и . Таким образом, ФД предназначен для преобразования разности фаз двух колебаний в напряжение, зависящее от этой разности фаз.

На рис. 3.17 ─ схема простого ФД. Часть схемы левее сечения А-А называется суммирующим устройством. Это ─ преобразователь вида модуляции ФМ→АМ. Детектирование идёт в два этапа. Сначала ФМ-сигнал преобразуется в АМ, а затем детектирование осуществляется АД.

Суммирующее устройство состоит из двух высокочастотных трансформаторов. Полезный сигнал подаётся на АД через Тр1, а опорное напряжение ─ через Тр2. Соотношение амплитуд напряжений и фаз поясняется рисунком 3.18.

В соответствии с этим рис. напряжение на входе АД и на его диоде определяется так:

где .

Выпрямленное напряжение на выходе ФД будет равно

где ─ коэффициент передачи АД.

Это выражение является уравнением ДХ. ФД, под которой понимают зависимость Из этого выражения следует, что ДХ зависит не только от , но и от ,,. При получим

В соответствии с последним выражением ДХ простого ФД имеет вид, показанный на рис. 3.19. Как следует из этого рис., ДХ является периодической функцией с периодом 2π.

На основании последнего выражения и графика ДХ можно отметить следующие особенности простого ФД:

1) ДХ ФД на участках 0…(), и т.д. имеет существенную нелинейность;

2) Выпрямленное напряжение на выходе ФД не изменяет свой знак при любых значениях .

Указанные особенности являются недостатками простого ФД. В определённой мере они устранены в балансном ФД.

Балансный ФД ─ сочетание двух простых ФД, выходы которых включены встречно (по дифференциальной схеме).(см. рис. 3.20).

Напряжение на выходе балансного ФД равно разности выпрямленных напряжений простых ФД, т.е.

ДХ балансного ФД складывается из двух ДХ простых детекторов, причём при детектировании используются линейные участки этих характеристик (см. рис. 3.21)

Выводы:

1) ДХ балансного ФД на участках 0…±π; ±π…±2π и т.д. практически линейная.

2) Полярность выпрямленного напряжения зависит от фазы φ.

3) Для линейного детектирования рабочая точка (РТ) на ДХ должна выбираться на середине её линейного участка. Это обеспечивается выбором фазы ОГ, т.е или .

Рассмотрим основные характеристики балансного ФД:

1) Коэффициент передачи балансного ФД равен

2) Крутизна ДХ:

3) Входное сопротивление ФД относительно вторичной обмотки Тр1 равно последовательному соединению входных сопротивлений АД, т.е.

4) Входное сопротивление ФД относительно вторичной обмотки Тр2 равно параллельному соединению входных сопротивлений АД, т.е.

Все приведённые соотношения действительны при

3. Особенности детектирования цифровых радиосигналов

В зависимости от способа передачи информации различают два вида цифровых радиоприёмных устройств:

1) для приёма дискретных радиосигналов (радиоимпульсов);

2) для приёма аналоговых сигналов с последующим преобразованием их в приёмном тракте в цифровую форму.

В данном случае нас интересует цифровая система n, следовательно, приёмники первого вида. Детектирование импульсных сигналов осуществляется с помощью диодных АД. Принцип действия импульсного детектора такой же, как у АД непрерывных АМ-сигналов, но имеют особенности.

В данном случае детектирование сводится к выделению огибающей каждого радиоимпульса, поступающего на вход. Детектор называется детектором радиоимпульсов. Наличие радиоимпульса символизирует „1” в двоичном цифровом коде. Его отсутствие ─ „0”.

На рис. 2.25 показан процесс детектирования одного радиоимпульса с прямоугольной огибающей и с длительностью . На рис. а) показано, как за счёт циклов „заряд-разряд” конденсатора формируется напряжение на нагрузке АД. На рис. б) ─ результат детектирования

Форма видеоимпульса на нагрузке из-за инерционности схемы отличается от формы огибающей входного радиоимпульса: длительность видеоимпульса больше длительности радиоимпульса. Видеоимпульс имеет растянутые передний и задний фронты и . На видеоимпульсе могут наблюдаться высокочастотные „врезки”, соответствующие несущей частоте и отражающие степень фильтрации высокой частоты на выходе детектора.

На практике параметры детектора радиоимпульсов выбираются из двух условий:

где ─ период несущего колебания (заполняющего радиоимпульс) и

;

В целом детекторы радиоимпульсов характеризуются сравнительно малой величиной и как следствие имеют низкую фильтрацию ВЧ-напряжения на выходе. Поэтому в схему вводят дополнительные элементы ─ дроссель , улучшающий фильтрацию. (рис. 2.26)

4. Особенности детекторной обработки стереофонических сигналов

Стереофоническая передача позволяет создать „эффект присутствия” слушателя в месте организации радиовещательной программы (на концерте). Простейшая стереосистема содержит два канала ─ левый (Л) и правый (П). Каждый канал начинается с микрофона, который размещён соответствующим образом в пространстве. На приёмной стороне ─ две разнесённые акустические системы звуковоспроизведения. При добавлении ещё двух каналов (квадрафоническая система) появляется полная иллюзия натурального возникновения звуков в пространстве.

В нашей стране принята система полярной модуляции, когда сигналы каналов Л и П преобразуются специальным преобразователем в сигналы: а)разностный (Л-П); б) суммарный (Л+П). Сигнал (Л-П) модулирует по амплитуде колебания с поднесущей частотой . Сумма этого колебания и сигнала (Л+П) образует полярно-модулированное колебание, у которого огибающая положительных полуволн содержит информацию о канале Л, а отрицательных полуволн ─ о канале П. (рис. 12.2).

Детектирование полярно-модулированного колебания, т.е. выделение сигналов каналов Л и П, можно проводить несколькими методами. Простейший из них ─ полярное детектирование по огибающей. Схема ─ на рис. 12.4. На этом рис. ─ структура двухканального по выходу детектора огибающей (детектор радиоимпульсов, модулированных по амплитуде): каждый из диодов VD1 и VD2 включён так, чтобы выделить огибающую только положительной или только отрицательной полуволны. Фильтры Ф „убирают” из полезных сигналов и высокочастотные шумы.

Подобные стереофонические системы реализуются обычно на УКВ.

Тема 7. Цепи радиоавтоматики в устройствах приема и обработки сигналов.

Лекция 18. Автоматические регулировки частоты, усиления и полосы пропускания.

Цель: изучить назначение, принцип действия, структурные схемы

автоматических регулировок частоты, усиления и полосы пропускания.

Вопросы:

4. Автоматическая подстройка частоты (АГТЧ), принцип действия и
классификация.

5. Структурные схемы и характеристики частотной и фазовой
автоподстройки. Особенности АГТЧ дискретных (цифровых) сигналов.

6. Регулировки коэффициента усиления приемника и полосы
пропускания.

Мaтepиaльнoe обеспечение: Проектор, рисунки 6.1-6.15; 6.7-6.11; 6.15; 7.2-7.4; 8.1-8.3.
Литература: [2] - стр. 237 - 260.

СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ

1. Автоматическая подстройка частоты (АПЧ), назначение,
принцип действия и виды.

Случайные отклонения принимаемого сигнала f_c и гетеродина f_г от
расчетных значений приводят к эквивалентной нестабильности
промежуточной частоты f_п_p. (см. рис. 6.1).

Рисунок 6.1

Для устранения возможных при этом искажений и потерь сигнала расширяют полосу пропускания УПЧ, но
это может привести к ухудшению чувствительности и помехоустойчивости
РПрУ.

Рисунок 6.2

На рис. 6.2 показан случай, когда одновременно нестабильны f_c и f_г, a
также - диапазон изменения f_п_p в самых неблагоприятных условиях, т.е.

где и - максимальные абсолютные нестабильности частот
гетеродина и сигнала.

Полоса пропускания приемника должна быть такой, чтобы при
максимальной нестабильности промежуточной частоты спектр полезного
сигнала не выходил бы за ее пределы.

Так как величины и статистически независимые, то требуемое
приращение полосы, учитывающее эти нестабильности, определяется так :

Результирующая полоса пропускания РПрУ в этом случае
рассчитывается по формуле:

где П_с - полоса частот ,занимаемая спектром полезного сигнала;
F_g - доплеровское смещение частоты.

Если П_0,7/П_с (1,5...2), то в приемнике необходимо применять АПЧ.

АПЧ предназначена для удержания промежуточной частоты вблизи
расчетного значения с целью уменьшения полосы пропускания до величины,
соответствующей спектру полезного сигнала П_с.

На рис. 6.3 - структурная схема АПЧ. Предположим, что отклонения
частоты сигнала f_c или гетеродина f_г приводят к изменению f_пр на величину
f. Схема АПЧ должна так изменить частоту гетеродина, чтобы f_пр -> 0.

Рисунок 6.3

Элементы схемы АПЧ образуют кольцо АПЧ. Измерительный элемент
преобразует величину f_np в постоянное напряжение U_д. ФНЧ очищает это
напряжение от высокочастотных шумов приемника. С выхода ФНЧ
напряжение Uвоздействует на управитель, который и изменяет частоту
гетеродина на величину f_r, так чтобы f_np -> 0.

В зависимости от типа измерительного элемента схемы АПЧ делят на:
а) схемы с частотной автоподстройкой частоты (ЧАП); б) схемы с фазовой
автоподстройкой частоты (ФАП). В первом случае в качестве
измерительного элемента используется частотный детектор (ЧД). Во втором
случае - фазовый детектор (ФД).

2. Структурные схемы и характеристики ЧАП и ФАП.
Особенности АПЧ дискретных сигналов.

Рисунок 6.4

На рис. 6.4 - структурная схема ЧАП. Допустим, что отклонение f_np на
величину f_np вызвано случайным скачкообразным изменениям частоты
гетеродина в момент t = 0 на величину . Тогда

где K - коэффициент передачи смесителя.
Напряжение на выходе ЧД равно:

U_д = К; K₂ = tg = S_чд>0,

где К₂ - крутизна ДХ ЧД (рис. 6.5).

Рисунок 6.5

Напряжение на выходе ФНЧ равно:

где К₃ - коэффициент передачи ФНЧ.

Управитель изменяет частоту гетеродина в соответствии с
выражением: ,

В этой точке сигнал попадает в полосу пропускания УПЧ. После этого
характеристика совпадает с прямой Б.

Если проследить работу системы от малых начальных расстроек к
большим, то характеристика будет сначала совпадать с прямой Б до точки
«потери» сигнала, в которой

Приемник в этой тоже теряет сигнал и схема ЧАП перестает работать.
После этого характеристика совпадает с прямой А. Аналогичные
рассуждения можно провести для области отрицательных начальных
расстроек. Таким образом, регулировочная характеристика имеет
своеобразный гистерезис, оцениваемый полосой захвата и полосой
удержания.

Полоса захвата - область начальных расстроек, в которой
обеспечивается вхождение «в связь» (в режим регулирования) схемы ЧАП.

Полоса удержания - область начальных расстроек, в которой
обеспечивается регулирование после вхождения «в связь».

На основании рис. 6.10 имеем:

Тогда

Выводы:

1. Чем больше К_ап, тем больше полоса удержания и больше
допустимая нестабильность частот сигнала и гетеродина.

2. За счет схемы ЧАП можно сузить полосу пропускания РПрУ до
величины

3. Приемник с ЧАП должен содержать схему поиска сигнала по
частоте.

На рис. 6.11 - структурная схема ФАЛ. Она отличается тем, что в
качестве измерительного элемента используется ФД.

Рисунок 6.11

Входным воздействием для ФД является изменение фазы ,
обусловленное изменением промежуточной частоты, т.е.

откуда следует, что при достаточно большом t даже очень малое
значение может привести к сколь угодно большому значению на
входе ФД.

Напряжение на выходе ФД будет:

тогда

Напряжение на выходе ФД будет равно 0 только тогда, когда = 0,
т.е. управляющее напряжение формируется до тех пор, пока промежуточная
частота не сравняется с расчетным значением. В этом - коренное отличие
ФАП от УАП. Схема ФАП имеет К_ап, равный

а полоса пропускания РПрУ будет:

На рис. 6.15 - регулировочная характеристика ФАП.

Рисунок 6.15

В полосе захвата и полосе удержания остаточная расстройка промежуточной частоты равна нулю. Выводы:

1. Схема ФАП обрабатывает начальную расстройку промежуточной частоты без ошибки с точностью до фазы.

2. При наличии ФАП уходы частот сигнала и гетеродина не влияют на промежуточную частоту.

3. При наличии ФАП П_0,7⁼ П_с.

При приеме дискретных сигналов на выходе ЧД образуются видеоимпульсы. Использовать их для подстройки частоты гетеродина нельзя из-за ограниченного быстродействия схемы АПЧ. Поэтому особенностью схемы в этом случае является наличие пикового детектора, (см. рис. 6.18).

Рисунок 6.18

Пиковый детектор преобразует отдельные видеоимпульсы в непрерывно меняющееся напряжение, как показано на рис. 6.19. Благодаря пиковому детектору управление частотой гетеродина осуществляется и в паузах между импульсами.

Рисунок 6.19

3. Регулировка коэффициента усиления приемника.

Как известно, коэффициент усиления приемника выбирается так, чтобы обеспечить на входе детектора, необходимое для его работы () напряжение, при минимальном сигнале в антенне E_A_._min, равном

чувствительности, т.е.

Однако в реальных условиях сигнал в антеннах может меняться в широких пределах особенно при связи с движущимися объектами. Поэтому, если не уменьшать коэффициент усиления приемника по мере возрастания уровня сигнала на входе приемника, могут нарушаться режимы работы последнего, вплоть до перегрузки каскадов и выхода из строя детектора.

Регулировка усиления предназначена для поддержания на заданном уровне входного сигнала детектора при изменениях сигнала в антенне в широких пределах. Уровень сигнала на входе детектора задается с помощью ручной регулировки усиления (РРУ). Поддержание постоянного напряжения U_д в процессе эксплуатации приемника осуществляется автоматической регулировкой усиления (АРУ).

На рис. 7.3 - обобщенная структурная схема АРУ. Обычно кольцом АРУ охватывают каскады УПЧ. На вход АРУ подается сигнал с последнего каскада УПЧ. Выходной сигнал АРУ подается на первые каскады УПЧ.

Рисунок 7.3

Детектор АРУ играет роль выпрямителя. Он преобразует ВЧ-сигнал в постоянное напряжение, пропорциональное апмлитуде несущей на выходе УПЧ. Это напряжение в конечном счете используется в качестве напряжения смещения РТ первого каскада. Чем больше напряжение на входе детектора, тем сильней запирается первый каскад УПЧ. В этом - суть АРУ.

Выбор в качестве регулируемых именно первых каскадов УПЧ объясняется тем, что на входе усилителя полезный сигнал еще мал и смещение РТ «влево» не приводит к его нелинейным искажениям.

Схема задержки запрещает работу АРУ при слабых входных сигналах, чтобы сохранить чувствительность приемника. При слабых сигналах эта схема запирает диод детектора АРУ.

ФНЧ служит для фильтрации промежуточной частоты для устранения паразитной ОС на частоте сигнала по цепям АРУ.

На рис. 7.4 - регулировочная характеристика схемы АРУ.

Рисунок 7.4

Регулировки полосы пропускания приемника осуществляются в следующих случаях:

а) в условиях большого уровня помех с целью сохранения
чувствительности сужают полосу;

б) в условиях поиска сигнала по частоте сначала полосу расширяют, а
при установлении связи вновь ее сужают.

В качестве регулируемых цепей приемника используются межкаскадные цепи (МЦ). На рис. 8.1 изображена МЦ с регулируемой емкостной связью между контурами.

Рисунок 8.1

При увеличении связи между контурами МЦ полоса расширяется, т.к.:

На рис. 8.2 показан способ регулировки полосы за счет коммутации нескольких МЦ с разными по ширине резонансными характеристиками.

Рисунок 8.2

На рис. 8.3 - регулирование полосы осуществляется с коммутацией нескольких УПЧ с различными резонансными характеристиками.

Рисунок 8.3

Тема 4. Усилители РПрУ диапазона СВЧ и требования,

предъявляемые к ним.

Лекция № 11. Усилители радиотракта телевизионных и связных приемников СВЧ на четырехполюсниках.

1. Особенности диапазона СВЧ. Назначение усилителей радиотракта телевизионных и связных приемников

2. Схематические особенности МЦ Усилителей СВЧ

3. Схемотехнические особенности УП СВЧ - диапазона. Требования к УП СВЧ

Лекция № 12 Регенеративные усилители СВЧ на двухполюсниках

1. Общие сведения о регенеративных усилителях приемников СВЧ и СВЧ-тюнерах систем спутникового телевидения

2. Функциональные и схемотехнические особенности усилителей на двухполюсниках с отрицательной проводимостью проходного типа. Основные характеристики.

3. Функциональные и схемотехнические особенности усилителей с отрицательной проводимостью отражательного типа. Основные характеристики.

Лекция№13 Регенеративные усилители, наиболее часто

применяемые на практике и их характеристики

1.Принцип действия ППУ

2. Основные типы ППУ. Одноконтурный и двухконтурный ППУ

3. Характеристики двухконтурного ППУ отражательного типа

Принцип действия УТД

Тема№5. Обработка сигналов в преобразователях частоты РПрУ.

Лекция№14. Основы теории преобразования частоты.

1. Общие сведения о ПЧ

2. Устройство и принцип действия ПЧ. Математическое обоснование принципа действия ПЧ

3. Преобразование частоты на нелинейном элементе

4. АЧХ преобразователя и помеховые каналы приёма. Выбор промежуточной частоты

Тема №6. Демодуляция (детектирование) сигналов в РПрУ.

Лекция №15. Амплитудные детекторы (АД)

1. Назначение обработки сигналов в демодуляторах. Принцип действия АД на диоде.

2. Основные характеристики АД

3. Функциональные и схемотехнические особенности РПрУ с амплитудной модуляцией сигналов. Типы АД.

Лекция№16. Искажение сигналов в АД и способы борьбы с ними. Приёмники с однополосной модуляцией.

Частотные (линейные) искажения сигналов в АД и способы борьбы с ними

Нелинейные искажения, обусловленные инерционностью нагрузки и способы борьбы с ними

Нелинейные искажения, обусловленные влиянием переходной цепи и способы борьбы с ними

Особенности РПрУ с однополосной модуляцией сигналов

Лекция№17. Особенности РПрУ частотно-модулированных и фазомодулированных сигналов. Детектирование в цифровых и стереофонических приёмниках.

Функциональные и схематические особенности частотных детекторов

2. Функциональные и схематические особенности фазовых детекторов.

3. Особенности детектирования цифровых радиосигналов

4. Особенности детекторной обработки стереофонических сигналов

Тема 7. Цепи радиоавтоматики в устройствах приема и обработки сигналов.

Лекция 18. Автоматические регулировки частоты, усиления и полосы пропускания.

1. Автоматическая подстройка частоты (АПЧ), назначение, принцип действия и виды.

2. Структурные схемы и характеристики ЧАП и ФАП. Особенности АПЧ дискретных сигналов.

3. Регулировка коэффициента усиления приемника.

Лекция № 11. Усилители радиотракта телевизионных и связных
приемников СВЧ на четырехполюсниках.

1. Особенности диапазона СВЧ. Назначение усилителей радиотракта
телевизионных и связных приемников

1. Общие сведения о регенеративных усилителях приемников СВЧ и
СВЧ-тюнерах систем спутникового телевидения

3. Функциональные и схемотехнические особенности усилителей с
отрицательной проводимостью отражательного типа. Основные
характеристики.

Тема№5. Обработка сигналов в преобразователях частоты
РПрУ.

2. Устройство и принцип действия ПЧ. Математическое
обоснование принципа действия ПЧ

4. АЧХ преобразователя и помеховые каналы приёма.
Выбор промежуточной частоты

1. Назначение обработки сигналов в демодуляторах. Принцип
действия АД на диоде.

1. Автоматическая подстройка частоты (АПЧ), назначение,
принцип действия и виды.

2. Структурные схемы и характеристики ЧАП и ФАП.
Особенности АПЧ дискретных сигналов.