книги / Радиоприемные устройства.-1
.pdfмешающего действия устройств, блоков и цепей, входящих в состав данного РПУ.
Так как сообщения, содержащиеся в радиосигнале, могут быть самого различного характера, не существует однозначных рекомендаций по допусти мости отклонения реальных характеристик тракта от идеальных,-а также сте пени влияния помех. В ряде случаев необходимо воспроизведение с достаточ ной точностью модулирующей функции Сигнала. Тогда искажение сообщения может быть оценено с помощью среднего квадратического отклонения иска женной модулирующей функции в РПУ. Ясно, что требования к характеристи кам РПУ и источникам помех при приеме в этом случае должны быть особо жесткими. В некоторых других ситуациях важно отметить появление сигнала или факт его существования в присутствии помех, что допускает большие из менения модулирующей функции и т.д.
Рассмотрим основные способы оценки искажений сигналов в РПУ. Различают статические и динамические характеристики искажений. К
первым относятся характеристики линейных искажений, нелинейных искаже ний и искажений, связанных с ограничением динамического диапазона РПУ, ко вторым - характеристики переходных процессов в РПУ/Характеристики неидеальности удобно задавать с помощью параметров различных искажений.
Линейные искажения проявляются в различных условиях прохождения отдельных составляющих спектра полезного модулирующего сигнала через приемный тракт. Количественная их оценка задается амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристиками (рис. 1.15,а, б).
Амплитудно-частотная характеристика сквозного тракта, называемая ха рактеристикой верности воспроизведения, определяется как зависимость (обычно нормированная) уровня выходного сигнала РПУ £/вых от частоты мо дуляции F при неизменном уровне входного модулированного сигнала ЕА = = cosnt и заданных параметрах модуляции. Характеристика верности воспро изведения имеет спад в области низких частот, что объясняется неидеальностью АЧХ тракта модулирующей частоты, а также в области высоких частот (по той же причине и из-за относительного подавления боковых составляю щих спектра модулированных колебаний в высокочастотном тракте РПУ) (см. рис. 1.12, а).
В радиовещании и радиотелефонии неидеайьность АЧХ проявляется в ви де изменения (искажений) тембра звучан^, длядругихРПУ —в виде искаже ний формы модулирующего сигнала, что может повлиять на качество воспро изведения сообщения. По характеристике верности воспроизведения РПУ
можно определить его полосу пропускания |
отсчитанную на |
уровне7 {см. рис. 1.15,а). |
|
Фазочастотная характеристика (см. рис. 1.15, б) описывает фазовые сдви ги спектральных составляющих сигнала в тракте РПУ в зависимости от часто ты модуляции. Идеальной ФЧХ является линейная зависимость ^ = f(F ) (штриховая линия на рис. 1.15), при которой все составляющие спектра задер живаются на одно и то же время At = Ар/Дсо , в результате чего искажения формы модулирующего колебания отсутствуют. Любое отклонение от линей ной зависимости приводит к фазовым искажениям, вследствие чего искажает ся форма модулирующего колебания.
Характеристики переходных процессов (динамические характеристики
а
F
РисЛ .15
РПУ) включают параметры переходной характеристики выходного напряже ния РПУ и ( t) при заданном виде входного сигнала. Примером такого сиг нала является радиоимпульс (рис. 1.16,а).
Искажения переднего фронта и плоской части радиоимпульса характери
зуются (рис. 1.16,6): |
|
|
П вюеменем запаздывания |
t |
. под которым понимают время с момента |
2) временем нарастания t |
, под которым понимают время изменения |
|
UBblx(t) от 0 , 1 м 0,9 UQ; |
|
|
3) величиной максимального |
выброса переходной характеристики на ее |
|
плоской части, обычно оцениваемого по отношению к его установившемуся |
значению: в = АС/выхшах Так как переходный процесс при исчезновении радиоимпульса ЕА (г) мо
жет отличаться от того же процесса при его появлении, то вводят еще один па раметр переходного процесса —время спада t c как время изменения
при |
выключении радиоимпульса J?A (t) (момент Гв) от 0,9 до 0,1 UQ |
(рис, 1.16,в, г). |
|
|
В некоторых РПУ важны динамические искажения, связанные не со скач |
ком |
амплитуды» входного сигнала, а со скачком его частоты или фазы (на |
пример, в РПУ с угловыми видами модуляции). |
|
|
Переходные процессы приводят к появлению повторов и многоконтурно- |
сти изображения в телевизионных приемниках, погрешностям радиосистем, где необходимо точное определение времени появления радиоимпульса, слия нию отдельных импульсов и т.д.
Нелинейные искажения связаны с появлением в спектре модулирующего
сигнала на выходе РПУ новых составляющих, которые отсутствуют на его вхо де. Они оцениваются коэффициентом гармоник модулирующего сигнала на выходе РПУ, т.е. отношением эффективного значения высших гармони ходного напряжения РПУ к эффективному значению первой гармоники:
V |
У вых2F + ^выхЗF + |
* г = |
UвыxF |
Нелинейные искрения возникают в тех сечениях тракта РПУ, гд. сигналов велики. В радиовещательных и радиотелефонных приемниках он:-
проявляются в виде неестественности звучания, а при больших величинах в передаче появляется дребезжание и хрипение.
Проявление нелинейных искажений и шумоь в РПУ приводит к тому, что уровень полезных сигналов ограничивается в приемном тракте с двух сторон: ’’снизу” —величиной внутренних шумов, ’’сверху” —нелинейными искажени ями. Для обеих областей характерно нарушение пропорциональной зависимо сти уровня выходного сигнала I/ от величины входного воздействия ЕА Это иллюстрируется рис. 1.17, на котором представлена амплитудная характе ристика РПУ, т.е. зависимость U = f (£\ ). Под динамическим диапазоном РПУ понимают отношение граничных уровней входных воздействии, в преде лах которых обеспечивается допустимая потеря информации, содержащейся в полезном сигнале. Количественно динамический диапазон D —это отношение максимального уровня входного сигнала ^ Атах >при котором нелинейные искажения еще равны допустимому значению, к его минимальному уровню
^Amin ’ ПРИ К0Т0Р°М отношение С/Ш на выходе тракта равно заданной вели чине.
Таким образом, если сигнал находится в пределах динамического диапазо на РПУ, то такой сигнал будет принят при заданном качестве приема сообще ния.
Различают динамический диапазон по мощности Dp = ^АтаХ/^Ашш ина" пряжению:
D - ^Amaj/^Amin |
О-26) |
Иногда минимальный уровень сигнала в (1.26) берется равным уровню внут ренних шумов тракта, т.е. С/Ш полагается равным единице.
Помехоустойчивость РПУ. Под помехоустойчивостью приема понимают свойство РПУ обеспечивать нормальное функционирование (требуемую вер ность воспроизведения сообщения, пропускную способность, быстродействие и т.д.) в условиях действия определенной совокупности помех.
Существуют различные критерии оценки помехоустойчивости. Некоторые из них непосредственно связаны с искажениями в передаваемом сообщении. Например, при передаче дискретных сигналов помехоустойчивость может ха рактеризоваться коэффициентом помехоустойчивости К = n j n , где п —усред ненное при многократных испытаниях число передаваемых элементарных по сылок; пп - усредненное число правильно принятых посылок.
При передаче речевых сообщений используется артикуляционный крите рий, предполагающий количественную экспертную оценку разборчивости пере даваемых тестовых текстов. Существует также энергетический критерий поме хоустойчивости, как отношение сигнал—помеха (С/П) или производные от него.
Характеристики помехоустойчивости находятся в сложной связи с други ми характеристиками РПУ, а также ЭМО. В каждом конкретном случае эти связи могут быть определены расчетным или экспериментальным путем.
Характеристики ЭМС РПУ. Электромагнитная совместимость характери зует возможность РПУ работать совместно с комплексом радиоэлектронной аппаратуры, оказывающей взаимное влияние как на данное РПУ, так и на уст ройства, входящие в состав радиокомплекса. Типичная задача ЭМС возникает,
например, при размещении РПУ на ограниченных площадях с радиопередатчи ками (бортовая аппаратура судна, самолета, спутника, а также на других под вижных объектах), при работе от общих антенн.
При оценке возможностей работы РПУ в условиях внутрисистемной и межсистемной ЭМС необходимо учитывать влияние на него радиосредств дан ной или других радиосистем. Это влияние проявляется следующим образом. Относительно мощные излучения соседних радиопередающих устройств при водят к появлению помех вследствие:
а) недостаточной линейной избирательности РПУ; б) возникновения нелинейных эффектов вида блокирования или "заби
тая’* (изменения усиления РПУ или отношения С/Ш на его выходе при дейст вии внеполосной помехи), перекрестной модуляции (переноса закона модуля ции с помехи на полезный сигнал), интермодуляции (взаимной модуляции) и гармонического обогащения спектра сигнала в приемном тракте, заключающе
гося в появлении в приемном тракте колебаний на частоте настройки со0 |
или |
|||
побочного канала о о ^ |
вида |
± |
± ш3оо3 ± ... = со0 или сопК |
, где |
с*, —частотыпомех; |
т .= 0 ,1 ,2 ,...; |
|
|
в) излучения антенной радиопередатчика шумов, ширина спектра которых превосходит полосу частот, отводимых каналу;
г) нечувствительности в течение некоторого времени к полезному сигналу после действия на РПУ мощной помехи,обусловленной переходными и други ми процессами.
Наличие в тракте РПУ генератора (гетеродина) приводит к "просачива нию’* его колебания в приемную антенну. Это создает помехи соседним радио приемникам, что вынуждает нормировать допустимый уровень излучения своего гетеродина на входе РПУ.
Внутриаппаратурная ЭМС обусловлена взаимным влиянием функциональ ных узлов и элементов РПУ друг на друга через поля или вследствие непосред ственного прохождения помех по электрическим цепям тракта. Значение этого вида ЭМС усиливается в связи с широким внедрением в современном РПУ. цифровых устройств, создающих широкополосные излучения, резким умень шением габаритов аппаратуры и т.д.
L3.5. Другие характеристики и параметры радиоприемных устройств
Присоединительные характеристики. К таким характеристикам относятся: уровни сигналов (мощность, напряжение, ток) , которые необходимо обеспе чить в оконечном устройстве РПУ для его нормальной работы; входные и вы ходные полные сопротивления (иммитансы) РПУ и тех нагрузок, которые к ним присоединяются (антенна и ОУ, если они не входят в комплект РПУ). При блочном построении РПУ присоединительные параметры относятся также к от дельным функциональным блокам.
Уровни выходных для РПУ сигналов должны соответствовать определен ным условиям. Так, для радиовещательных приемников выходным парамет ром является номинальная выходная мощность, которую РПУ отдает в нагруз ку — акустическую систему. Под номинальной мощностью понимают такую
выходную мощность, которая соответствует заданной величине коэффициента гармоник.
Эксплуатационные характеристики. К данным характеристикам относятся характеристики надежности, энергопотребления (экономичности питания), эр гономических возможностей различных удобных для пользователя режимов применения (в радиовещательной аппаратуре так называемые потребитель ские характеристики) и т.д.
Конструктивные и технологические характеристики. К этим характеристи кам относятся массогабаритные, а также характеристики трудозатрат при из готовлении РПУ. Последние существенно зависят от способа изготовления функциональных блоков и РПУ в целом.
Важнейшей общей характеристикой РПУ является его стоимость. В боль шинстве случаев она находится в противоречии с другими характеристиками РПУ. Поэтому при создании новых поколений РПУ, неизбежно связанном с их усложнением, важно учитывать технический уровень и стоимость нового изде лия. Это, в свою очередь, требует совершенствования компонентной базы, тех нологии изготовления, в частности перехода к *интегральной технологии. По этому важнейшей характеристикой современного РПУ является его степень интеграции. В лучших образцах РПУ она приближается к 100 %, поэтому далее в соответствующих разделах курса будут рассмотрены технические решения функциональных узлов РПУ, пригодные для интегральной технологии их из готовления.
1.4. Общая оценка качества радиоприема
Работа РПУ (см. § 1.3) характеризуется большим числом технических ха рактеристик и параметров. Однако для пользователя основной интерес пред ставляет результат их воздействия на передаваемое сообщение/ .Поэтому це лесообразно ввести окончательную оценку эффективности работы РПУ, исхо дя из искажений передаваемого сообщения б/
В качестве такой оценки может быть принято достижение разборчивости (артикуляции) речевого сообщения (для радиотелефонного канала); соответ ствия передаваемой и воспроизводимой программы (для радиовещательного канала); обнаружения соответствующих целей (для радиолокационного кана ла) ; определения местоположения объектов (для радионавигационного кана ла) и т.д. Так как неидеальность любого радиоканала приводит к искажению передаваемого сообщения б / , необходимо задаться допустимой величиной ис кажений б/0 (например, для приема в канале передачи дискретной информа ции —допустимой величиной неправильно принятых символов), Если при при еме величина б/ < бJQ , то будем считать, что РПУ полностью решает постав ленную перед ним задачу.
Как было указано в § 1.1, характеристики полезных сигналов и помех при радиоприеме обычно точно не известны. Поэтому качество работы РПУ в целом целесообразно оценивать с помощью статистических (вероятностных) характеристик. С этой целью рассмотрим два вида случайных событий: если РПУ обеспечивает прием сигнала с показателем качества хуже допустимого, т.е. б/ > б /0 , то такое событие А назовем поражением; если показатель ка
чества равен или лучше допустимого |
(т.е. б/ < 5 / ) , то такое событие А на |
зовем приемом. |
0 |
Возможны различные способы вероятностной оценки эффективности ра боты РПУ, в основе которых может лежать: _
1) количественная оценка вероятности наступления события А ш и А , со стоящего в том, что РПУ полностью выполняет (или не выполняет) поставлен ную перед ним задачу
|
P l = |
р [а } |
(1.27) |
гдеО |
, < 1 ; |
|
|
2) |
математическое ожидание случайной величины А : |
|
|
|
р 2 = м {а ) \ |
(1.28) |
|
3) |
дисперсия случайной величины А : |
|
|
|
P3 = |
D I_A} |
(1.29) |
Так как |
событие А исключает событие А , то их вероятности связаны с |
||
известным из теории вероятности соотношением |
|
||
|
Pj {а ] = 1 - Р , { ^ } |
(1.30) |
Характеристика (1.27) дает самое общее представление о качестве работы РПУ по принципу "да или нет”, т. е. показывает, какова вероятность того, принято или не принято сообщение, передаваемое от источника к потребителю, обнаружена ли цель в радиолокации, решена ли задача определения местополо жения объекта в радионавигации и т.д. Чем выше величина р х , тем эффектив ней РПУ решает поставленную перед ним задачу. Для некоторых современных связных РПУ величина р х должна быть достаточно близка к максимально воз можной (единице) и может составлять 0,999 и более.
Характеристики эффективности (1.28) и (1.29) пригодны для оценки по
принципу ”чем больше (меньше), тем лучше” . Они удобны, например, для оценки эффективности работы РПУ в диапазоне частот, где размещаются п воз можных каналов приема. Тогда численная величина р 2 равна среднестатисти ческому числу каналов (т.е. математическому ожиданию) из возможных п ,
полностью обеспечивающих задачу приема. Так, если Рг(А) = 1(Г3 , то из |
|
(1.30) |
следует р х (А) = 1 —10^3 = 0,999, т.е. для числа принимаемых кана |
лов п = |
103 поражается только один канал, а с нужным качеством принимает |
ся 999 каналов.
В процессе работы РПУ можно потребовать соответствия вероятности при ема следующим условиям работы РПУ:
а) со стабилизацией качества: |
|
Pi - pi0 , |
(1.31) |
что предполагает удовлетворение заданной величине p.Q , например заданной вероятности приема сообщений для заданного ансамбля радиосигналов на вхо де РПУ;
б) с поиском оптимального значения качества, т.е.
Рт - max(min)j>. , |
(1.32) |
что соответствует максимуму (минимуму) характеристики эффективности приема при заданной ЭМО и т.д.
Очевидно, что на практике необходимо учитывать фактор ’’ограниченно сти ресурса” R при реализации поставленной перед РПУ задачи: по потребле нию энергии от источника, стоимости, массогабаритным характеристикам и
др. Поэтому условия |
(1.31), |
(1.32) следует дополнить некоторыми ограничи |
|
вающими или минимаксными условиями: |
|
||
*min < R < |
R max |
= т а х ( т т ) Л ) . |
(1 .3 3 ) |
Таким образом, задач* радиоприема в самом общем виде может быть све |
|||
дена к стандартной |
задаче |
оптимизации системы |
по заданному критерию |
(1.27)-(1.29), характеру целевой функции (1.31), (1.32) и дополнительным ограничивающим условиям (1.33).
В общем случае величина р^ зависит от множества характеристик РПУ Q = {q .}, определяющих качество приема (см. § 1.3).
Все параметры qi могут быть разделены на относящиеся к РПУ и к харак теристикам электромагнитной обстановки при радиоприеме, которая включа ет в себя виды, количество и свойства воздействующих на РПУ помех. Пара метры ЭМО, в свою очередь, делятся на параметры полезных сигналов qic и помех радиоприему qin\ что касается параметров РПУ, то часть из них^10 за дается при проектировании РПУ, обеспечивается при его изготовлении и далее в процессе эксплуатации остается неизменной. Другая часть параметров РПУ q во время работы РПУ может изменяться в соответствии с некоторыми ал горитмами, обеспечивая требуемые условия (1.31), (1.32). Необходимость в подобном варьировании обусловлена изменениями текущей ЭМО при радио приеме.
Тогда задача оптимизации РПУ как системы может быть описана следую щими соотношениями:
для (1.31) |
|
Р{ = |
(1.34) |
|
|
для (1.32) |
|
Рт ~ max(min)pf.(fy) , |
(1.35) |
где Ы = U ic ■ < 7 ,„ Л ч )Л ~ } • *min < R faio><li~} < R max |
R m “ |
= max(min)/? { qj0 , q.„ } |
|
Следует обратить внимание на двоякийсмыся алгоритмов (1.34) и (1.35). Они позволяют: во-первых, определить требуемые для заданного качества при ема параметры РПУ q.Q , т.е. целенаправленно проектировать РПУ как опти мальную в известном смысле систему; во-вторых, приспособить (адаптиро вать) часть параметров РПУ в процессе его эксплуатации к текущей ЭМО, т.е. параметрам qic и qin , избранным критериям качества. Таким образом, (1.34), (1.35) являются алгоритмами как расчетной, так и аппаратурной оптимизации РПУ, т.е. оптимизации в процессе его работы в реальных услов'иях эксплуата ции. Разумеется, во время работы РПУ условия (1.34), (1.35) могут строго не
выполняться, например в случае непредвиденного ужесточения ЭМО, отсутст вия некоторых возможных функций адаптации и т.д. В результате возможно, например, что р . < р 0 , т. е. вероятность приема будет хуже заданной величи ны. В таком случае 0-34) и (1.35) следует рассматривать как условия, харак теризующие предельные величины и позволяющие оценить удаленность факти чески достигаемой эффективности приема от предельно возможной.
Статистические характеристики оценки работы РПУ удобны для практиче ского применения, так как имеют ясный физический смысл, связаны с техни ческими характеристиками РПУ, позволяют предметно уяснить влияние от дельных характеристик и параметров РПУ на качество приема сообщения, а также осуществлять сравнение разных РПУ между собой.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ И ПОВТОРЕНИЯ
1.1. Охарактеризуйте состав группового сигнала в преселекторе РПУ. 1.2. Начертите структурные схемы РПУ прямого усиления и супергетеродинного типа. Поясните назна чение отдельных функциональных звеньев, 1.3. Поясните, почему использование суперге теродинного РПУ позволяет улучшить качество приема. 1.4. Поясните причины появления побочных каналов приема в супергетеродинном РПУ. 1.5. Каковы особенности инфрадинных и синхронных РПУ? 1 .6 . В каких трактах типовой структуры супергетеродинного РПУ обеспечивается подавление побочных и соседних каналов приема? 1.7. Как улучшить чувствительность РПУ? 1.8 . Укажите смысл коэффициента шума линейного тракта РПУ. 1.9. Как улучшить избирательность РПУ? 1.10. Чем отличаются характеристики односиг нальной и многосигнальной избирательности РПУ? 1.11. Охарактеризуйте линейные и не линейные искажения сигнала в приемном тракте. 1.12. В чем сущность оценки качества радиоприема с помощью статистической характеристики - вероятности поражения?
2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ
2.1. Системотехнические исследования радиоприемных устройств
2.1.1. Модели радиоприемных устройств
Исследование РПУ основано на методах теории электро- и радиоцепей и ра диосигналов, которые изучаются в соответствующих курсах. В связи с этим кратко рассмотрим лишь специфические особенности методов исследования применительно к РПУ. Конкретные примеры использования методов приведе ны в настоящем и последующих разделах.
Исследование РПУ или его функциональных звеньев (ФЗ) включает сле дующие основные задачи: анализ, синтез и оптимизацию по заданным крите риям качества. Эти задачи могут быть решены как системотехнические, в которых предметом изучения являются связи характеристик всего РПУ и его ФЗ, а также как схемотехнические, в которых предметом исследования явля ются связи характеристик отдельных ФЗ и каскадов с компонентами, их обра зуют и.ми.
Воснове системотехнического исследования РПУ лежит его представление
ввиде системы из отдельных ФЗ или каскадов. В зависимости от конкретной задачи возможны различные способы такого представления: а) в виде моде лей, соответствующих соединениям основных ФЗ в структурах РПУ (см. рис. 1.5, 1.8-1.10); б) в виде моделей, раскрывающих основные принципы включения ФЗ, например наличие цепочечного соединения (рис. 2.1), обрат ных связей для улучшения характеристик тракта (общей —рис. 2.1, б , в каж дом каскаде — рис. 2.1, в), параллельных каналов передачи сигнала с целью компенсации искажений и помех (рис. 2.1, г) и т .д .; в) в виде обобщенных моделей, в которых укрупненно представлены основные свойства приемного тракта (см. рис. 2.1, д , где приведена широко применяемая модель так назы ваемого типового радиотехнического звена (ТРЗ), учитывающая нелинейное преобразование в нелинейном звене (НЗ) и содержащая линейные звенья с
коэффициентами передачи LjO'w) и 1*2(/со)).
Представление модели РПУ в виде ТРЗ удобно, например, для упрощенно го исследования нелинейных процессов в структуре супергетеродинного ра диоприемника. В этом случае тракт, показанный на рис. 1.5, б , можно изобра зить в виде цепочечного соединения: 1) первого линейного фильтра (/со), отражающего прохождение группового сигнала в полосе пропускания пресе лектора П и его избирательные свойства для помех по побочным каналам приема за ^ е пределами; 2) нелинейного звена, учитывающего нелинейные свойства усилительно-преобразовательного тракта; 3) второго линейного фильтра 1 2(/‘со), отражающего фильтрующие свойства тракта промежуточной
частоты.
Если граничная частота используемых в НЗ электронных приборов суще ственно превышает максимальную частоту рабочего диапазона, то они могут считаться безынерционными. Как было указано, полоса первого фильтра в структуре, приведенной на рис. 2.1, д , обычно больше полосы второго фильтра.