Классификация радиоприёмных устройств. (лекции)

Классификация радиоприёмных устройств. (лекции)

По функциональному назначению:

- профессиональые (связные, военные, телеметрия, астрономические, телевидение, ТВ-станция)

- вещательные (бытовые телевизионные, радио)

Среди связных различают приемники систем:

- мобильных (базовые станции)

- сотовых

- спутниковых

- магистральных

- технологических

В зависимости от места установки:

- бортовые, стационарные, переносные.

По виду принимаемых сигналов:

- непрерывных, дискретных.

По виду модуляции(аналоговые сигналы)/манипуляции(дискретные)

- АМ, ЧМ, ФМ, однополосная, импульсная.

По диапазону частот:

- НЧ (ДВ), СЧ (СВ), ВЧ (КВ), ОВЧ, УВЧ (УКВ), СВЧ, приемники оптического диапазона.

По способу питания:

- сетевые и аккумуляторные;

 

Основные показатели качества радиоприёмника.

· Чувствительность т. е. способность радиоприемника принимать слабые сигналы.

Чувствительность оценивается минимальным значением сигнала в антенне, обеспечивающим заданную мощ. ность выходного сигнала информации, и зависит от усилительных свойств усилителей, входящих в схему радиоприемника. Чем больше коэффициент усиления усилителей, тем выше чувствительность радиоприемника.

· Избирательность (селективность), т. е. способность приемника выделять из суммы различных сигналов и помех сигналы нужной радиостанции. Чем выше избирательность приемника, тем меньше влияние на полезный сигнал помех и сигналов посторонних радиостанций

Избирательность приемника зависит от числа каскадов в усилителе высокой частоты и качества резонансных фильтров в каждом каскаде. Повышение избирательности приемника связано с увеличением количества контуров и каскадов усиления в приемнике, что повышает его стоимость и усложняет настройку. Поэтому в зависимости от назначения приемника его избирательность имеет конкретное значение, которое задается при проектировании радиоприемника.

Количественно избирательность определяется как отношение коэффициента усиления приемника при его настройке в резонанс к коэффициенту усиления при определенной расстройке:

· Полоса пропускания, оцениваемая полосой частот вблизи резонансной частоты, где уровень амплитудно - частотных искажений не превышает допустимый, задаваемый неравномерностью АЧХ в полосе пропускания.

· Рабочий диапазон, определяется коэффициентом перекрытия

· Время настройки

· Помехоустойчивость, способность принимать (обеспечить) сигнал с заданным качеством при действии помех

 

 

Структурные схемы детекторного приёмника и приёмника прямого усиления, основные достоинства и недостатки.

 

Детекторный приемник:

Мало применим для ВЧ, т.к. нужно выделить узкую полосу частот, что с помощью ПФ сделать невозможно.

+ простота

- низкая чувствительность (входной сигнал должен быть большим, т.к. он уменьшается в ПФ)

- низкая избирательность (малоэффективный фильтр на входе)

 

Приемник прямого усиления:

+ не требуется преобразования частоты

- сложность системы настройки

- АЧХ радиотракта должна быть близка к прямоугольной, что предполагает использование сложных резонансных цепей и настройка их взаимодействия

-сложность устойчивого усиления на ВЧ (чем ↑ частота, тем ↑ опасность самовозбуждения; усилитель работает устойчиво, если искажения его АЧх находятся в допустимых пределах)

- непостоянство параметров радиотракта при перестройке по частоте

 

 

Назначение, виды и характеристики входных цепей.

Входные цепи:

Цепь – соединяющая антенну с первым услительным элементом/преобразователем.

Основное назначение – передача сигнала от антенны к первому активному элементу и предварительная фильтрация от помех.

Классификация:

- по виду фильтров: одноконтурные, двухконтурные

- по способу связи с антенной и УЭ: непосредственное подключение, трансформаторная, емкостная

Характеристики:

- коэф. передачи

- коэф. шума

- допустимая неравномерность АЧХ

- диапазон перестройки частот

- допустимое изменение резонансного коэф. передачи по полосе

-допустимая расстройка контуров ВЦ

 

 

Принципы работы и схемы ЧД

Как правило, на входе ЧД ставят АО, чтобы убрать паразитную АМ. АО – обязательный элемент тракта приемника ЧМ сигналов.

1. Частотноамплитудные детекторы (ЧАД) (ЧД на расстроенных контурах)

Принцип работы основан на подаче входного сигнала на наклонный участок резонансной характеристики. В качестве резонансной системы м.б. использована любая частотнозависимая цепь – LC контура, RC–фильтры, активные RC–фильтры, микрополосковые ф–ры, пьезо, механич., керамические фильтры и т.д.

Как правило, используют балансные схемы. Схема балансного ЧД с 2–мя расстроенными контурами

Здесь токи через Д1 иД2 протекают во встречном направлении

Детекторная характеристика такого ЧД получается из взаимодействия двух характеристик расстроенных контуров.

 

2. Частотнофазовые детекторы (ЧФД)

На практике широко используются ЧД с преобразованием ЧМ–ФМ с последующим детектированием в ФД. По сравнению с ЧД на расстроенных контурах они легче настраиваются. Перед таким ЧД нужен обязательно АО.

Отсутствие АО на входе приведет к переносу паразитной АМ в напряжение на выходе ЧФД.

Разновидностью ЧФД, не требующих АО на входе является дробный детектор или детектор отношений.

Характерной особенностью его является наличие инерционных цепей, включенных параллельно детектору. Это делает его малочувствительным к паразитной АМ входного сигнала (с определенной частотой).

Такой детектор выполняет роль диодного ограничителя с фиксированным порогом – не требует отдельного АО.

3. Перспективными являются Д. без индуктивностей – автокорреляционные ЧД. Они построены на линиях задержки на ПАВ.

Здесь формирователь– преобразует входной сигнал в импульсы с изменяющейся частотой и длительностью. Фазовый сдвиг (1), где к–количество периодов.

Достоинства:

– хорошо пригодна для микро исполнения;

– нормированная детекторная характеристика имеет линейный вид как на рис.10.9;

– в двое более широкая полоса пропускания, чем у Д со связанными и расстроенными контурами.

4. Частотноимпульсные Д.

Здесь ЧМ сигнал сначала преобразуют в последовательность импульсов, изменяющих свое временное положение по закону частотной модуляции – получается время–импульсная модуляция.

5. ЧД на основе систем ФАП (синхронные фазовые детекторы).

Достоинство– высокая помехоустойчивость.

6. Цифровые ЧД

Здесь РУ–решающее устройство осуществляет накопление информации, поступающей с выхода ФНЧ в течение тактового импульса, сравнивает полученное значение с порогом и выдает принятое решение.

 

 

Введение

Петля фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ — это необычайно универсаль­ная схема, широко используемая в современных системах электросвязи для реа­лизации разнообразных функций, включая модуляцию, демодуляцию, обработку сигнала, восстановление несущей и тактовой частоты, генерацию частоты, син­тез частот и множество других приложений в области электросвязи. Схемы ФАПЧ используется в передатчиках и приемниках, при аналоговой и цифровой модуляции, а также при передаче цифровых сигналов.

Системы ФАПЧ начали использоваться в 1932 г. для синхронного детектиро­вания и демодуляции радиосигналов в составе контрольно-измерительных схем и систем дистанционной телеметрии. Однако много лет разработчики избегали использовать устройства на основе ФАПЧ из-за их большого размера, сложности и высокой стоимости. Теперь, с появлением интегральных микросхем, системы ФАПЧ могут обеспечить надежную высококачественную работу и в то же вре­мя быть исключительно малогабаритными, удобными и потреблять небольшую мощность. В результате произошел переход от специализированного проектиро­вания систем ФАПЧ к простому использованию универсальных, функционально законченных микросхем с широчайшей областью применения. Сегодня доступен широкий ассортимент таких интегральных схем ФАПЧ различных производи­телей. Некоторые из этих изделий представляют собой универсальные схемы, которые подходят для самых разных применений, другие оптимизированы и предназначены для использования в специализированных приложениях детек­тирования ЧМ-сигналов, демодуляции стереофонических сигналов или синтеза частот. Схема ФАПЧ позволяет обеспечить точную настройку, частотную се­лекцию и фильтрацию без использования громоздких катушек индуктивности и дросселей.

В сущности, ФАПЧ — это система управления с петлей обратной связи, в которой параметрами регулирования являются частота или фаза сигнала, а не величина его напряжения или тока. Структурная схема петли ФАПЧ показана на рис. 1. Как видно из рисунка, система ФАПЧ содержит четыре основных блока:

1) фазовый компаратор или фазовый детектор,

2) фильтр низких частот ФНЧ,

3) усилитель,

4) ГУН.

Эти четыре блока скомпонованы в интегральную схему, где для каждого из них предусмотрены внешние вход и выход, позволяющие связать блоки, так как это необходимо пользователю, установить частоту фильтра низких частот, коэффициент усиления усилителя и частоту ГУН

Рис 1. Структурная схема петли ФАПЧ

 

Работа схемы ФАПЧ

В основе работы системы ФАПЧ лежит фазовая синхронизация сигналов под­страиваемого и опорного генераторов. Однако, прежде чем возникнет фазовая синхронизация, цепь ФАПЧ должна быть синхронизирована по частоте. После того как произойдет захват частоты, на выходе фазового компаратора появится напряжение, пропорциональное разности фаз между сигналом на выходе ГУН и внешним эталонным сигналом.

Чтобы система ФАПЧ работала должным образом, необходимо обеспечить полный замкнутый тракт петли обратной связи, как показано на рис. 1. При отсутствии внешнего опорного сигнала или когда петля обратной связи разо­мкнута, ГУН работает на частоте предварительной настройки f_п, которую на­зывают собственной частотой или частотой собственных колебаний. Собствен­ная частота — это выходная частота ГУН в системе ФАПЧ с разомкнутой петлей обратной связи. Собственная частота ГУН определяется внешними ком­понентами. Как уже говорилось, прежде чем система ФАПЧ войдет в режим слежения, должен произойти захват частоты. Когда на вход системы ФАПЧ поступает внешний входной сигнал с частотой fi, компаратор сравнивает час­тоту внешнего сигнала с частотой выходного сигнала ГУН f₀. На выходе фазового компаратора формируется напряжение ошибки, рассогласования , пропорци­ональное разности фаз двух сигналов на входе. Напряжение сигнала ошибки через фильтр нижних частот и усилитель воздействует на управляющий элемент ГУН. Еcли собственная частота ГУН f_n достаточно близка к частоте внешнего опорного сигнала f_i, то под действием обратной связи в схеме ФАПЧ ГУН син­хронизируется, то есть захватывает внешний входной сигнал. Поэтому выходная частота ГУН - это сумма или разность его собственной частоты и разницы между внешней опорной частотой и собственной частотой ГУН. Выходная ча­стота ГУН f0определяется выражением:

где f₀ - выходная частота ГУН, Гц; fn — собственная частота ГУН, Гц;, Гц; fi— внешняя опорная частота, Гц.

В сущности, система ФАПЧ имеет три рабочих состояния:

· автономное со­стояние собственных, свободных колебаний;

· режим захвата;

· режим слежения.

 

В ав­тономном состоянии внешний сигнал опорной частоты отсутствует или петля обратной связи разомкнута. При этом ГУН генерирует сигнал на своей соб­ственной частоте, определяемой внешними компонентами. В состоянии захвата, система ФАПЧ должна иметь внешний опорный сигнал и замкнутую петлю обратной связи. Из состояния захвата система ФАПЧ со временем переходит в режим слежения частоты. В режиме слежения частота ГУН отслеживает частоту внешнего входного сигнала (т. е. равняется ей). Когда система ФАПЧ находится в состоянии удержания, частота ГУН следует за изменениями частоты внешнего опорного сигнала.

 

Процесс захвата частоты

Когда внешний опорный сигнал поступает на фазовый компаратор (см. рис. 3.22, а), он объединяется с выходным сигналом ГУН . Сначала частоты этих двух сигналов не равны (). Поскольку фазовый компаратор — устройство нелинейное, то внешний сигнал и сигнал с выхода ГУН при сравнении создают комбинационные частоты (т.е. суммарные и раз­ностные частоты). Поэтому на выходе фазового компаратора присутствуют в первую очередь: внешняя опорная частота f _i, частота с выхода ГУН f₀, их сумма (f₀+f_i,) и разность (f₀-f_i).

Фильтр нижних частот подавляет входные частоты f_i и f₀, а также их суммарную частоту f₀+f_i. Таким образом, на выходе ФНЧ присутствует един­ственный сигнал — относительно низкая разностная частота fd =fo- fu, кото­рую называют частотой биений. Сигнал биений усиливается, а затем поступает на вход ГУН, изменяя выходную частоту ГУН пропорционально величине и полярности своего напряжения. Поскольку выходная частота ГУН изменяет­ся, амплитуда и частота сигнала биений также пропорционально изменяется. На рис. 2 б, показан сигнал биений f_d, полученный в результате его же воздей­ствия на ГУН. После определенного числа циклов подстройки выходная частота ГУН становится равной внешней опорной частоте и, как говорят, происходит захват частоты системой ФАПЧ. Как только захват частоты произошел, ча­стота биений на выходе ФНЧ становится равной 0 Гц (напряжение постоянного тока), а его величина и полярность будут пропорциональны разности фаз между внешним опорным сигналом и выходным сигналом ГУН. Напряжение постоянно­го тока обеспечивает входное смещение для ГУН, поддерживая режим слежения частоты внешнего сигнала.

В сущности, пока захват частоты не произошел, фазовый компаратор ра­ботает как частотный компаратор, и только после захвата (нулевые биения) он становится фазовым компаратором. После захвата частоты величина сдвига фаз между внешним опорным сигналом и выходной частотой ГУН конвертируется в фазовом компараторе в постоянное напряжение смещения u_d, фильтруется усиливается, а затем поступает обратно в ГУН, где поддерживает процесс слежения частоты (режим синхронизма). Следовательно, для поддержания режима синхронизма необходимо поддерживать сдвиг фаз между внешним опорным сигналом и выходным сигналом ГУН. Время, требуемое для достижения режима удержания, называют временем захвата или временем вхождения в синхронизм.

Рис. 2. Работа системы ФАПЧ: а) - структурная схема. б) – сигнал частоты биений.

Область захвата

Область захвата определяется как диапазон частот, сосредоточенный вокруг собственной частоты ГУН f_n, в котором система ФАПЧ в состоянии произвести захват частоты и войти в синхронизм с внешним входным сигналом. В зависимости от конструкции системы ФАПЧ, ширины полосы пропускания фильтра нижних частот и усиления петли обратной связи, область захвата находится как правило, в диапазоне между 0.5f_n и 1.7f_n. Иногда область захвата называют областью вхождения в синхронизм.

Полоса захвата частоты — полосы частот захвата слева или справа от опорной частоты, ко­торые, как правило, симметричны (т. е. область захвата в 2 раза шире полосы захвата частоты). Область захвата и полосы захвата показаны в форме частот­ной диаграммы на рис. 3. Самая низкая частота, на которой система ФАПЧ может произвести захват, называется нижним пределом захвата f_cl, а самая вы­сокая частота — верхним пределом захвата f_cu.

Рис. 3. Область захвата час­тоты системы ФАПЧ

Полоса удержания

Область удержания определяется как диапазон частот, сосредоточенный во­круг собственной частоты ГУН, в котором система ФАПЧ может поддерживать режим синхронизма с внешним опорным сигналом. При этом предполагается, что система ФАПЧ первоначально захватила и удерживает частоту входного сигнала. Область удержания также известна как область слежения. Область удержания — это диапазон частот, в котором после того, как произошел захват частоты, система ФАПЧ будет точно отслеживать частоту внешнего опорного сигнала. Полоса удержания (синхронизации) — диапазон частот в области удер­жания слева или справа от опорной частоты (т. е. область удержания в 2 раза шире полосы удержания). Связь между областью удержания и полосой удержа­ния показана в виде частотной диаграммы на рис. 4.

Рис. 4. Область отслежива­ния частоты системы ФАПЧ

 

Области захвата и удержания прямо пропорциональны коэффициенту усиле­ния по постоянному току петли обратной связи системы ФАПЧ. Область захва­та никогда не бывает больше и почти всегда меньше, чемобласть удержания.

Взаимосвязь между областями захвата и удержания и полосами захвата и удержания частоты показана в форме частотной диаграммы на рис. 5. Обратите внимание, что области удержания больше или равна области захвата, а полоса удержания больше или равна полосе захвата частоты.

Рис. 5. Области захвата и удержания частоты системы ФАПЧ

 

Фазовые компараторы

Фазовый компаратор, иногда называемый фазовым детектором, представляет собой нелинейное устройство с двумя входными сигналами: внешней опорной частотой f_i и выходным сигналом ГУН f ₀- Выходной сигнал фазового компа­ратора представляет собой произведение двух сигналов с частотами fi и f ₀, и поэтому содержит частоты их сумм и разностей (f _i± f ₀).

На рис. 7 представлена зависимость выходного напряжения от разности фаз сигналов при одинаковой их частоте.

Рис. 7. График зависимости выходного напряжения фазового компаратора от сдвига фаз

 

Цифровая ФАПЧ

Цифровые системы ФАПЧ используются для синхронизации цифровых импуль­сов, например, в схемах восстановления тактовой частоты. Задача цифровых систем ФАПЧ, в отличие от аналоговых, состоит в восстановлении только вре­менных соотношении сигналов, без учета информации об их величине. Для циф­ровых систем ФАПЧ представляют интерес только временные параметры внеш­него сигнала.

Цифровые системы ФАПЧ очень похожи на аналоговые системы ФАПЧ, но в них ГУН заменен цифровым источником импульсов, частотой которых мож­но управлять, а фазовый компаратор заменен двоичным счетчиком импульсов. Функция этого счетчика — управление тактовой частотой.

В цифровой системе ФАПЧ счетчик может запускаться как внешним вход­ным сигналом, так и внутренним синхроимпульсом. Счетчик прибавляет одну единицу с каждым тактовым импульсом и отнимает одну единицу с каждым внешним входным импульсом. Когда скорость поступления (т. е. частота) внешних и внутренних импульсов одинакова, выход счетчика остается неизменным, и частота следования импульсов стабилизируется по входной частоте. Если вну­тренние импульсы генерируются с более высокой скоростью, чем внешний опорный сигнал, то содержимое счетчика увеличивается, уменьшая их частоту аналогично, когда внутренние импульсы генерируются с более низкой скорость. чем внешний входной сигнал, счетчик уменьшает свое значение, заставляя увеличить частоту внутренних синхроимпульсов.

В цифровых системах ФАПЧ диапазон, в котором система может отслеживать внешний входной сигнал, определяется разрядностью счетчика. Типичные счетчики содержат 16 бит, которые обеспечивают 65536 уникальных комбинаций (от 0 до 65535). Счетчик в системе ФАПЧ изначально устанавливливается на половину заполненным», то есть равным 32768. Это позволяет счетчику увеличивать иди уменьшать его содержимое в одинаковой степени, обеспечивая равные диапазоны отслеживания в обоих направлениях.

 

Классификация радиоприёмных устройств. (лекции)

По функциональному назначению:

- профессиональые (связные, военные, телеметрия, астрономические, телевидение, ТВ-станция)

- вещательные (бытовые телевизионные, радио)

Среди связных различают приемники систем:

- мобильных (базовые станции)

- сотовых

- спутниковых

- магистральных

- технологических

В зависимости от места установки:

- бортовые, стационарные, переносные.

По виду принимаемых сигналов:

- непрерывных, дискретных.

По виду модуляции(аналоговые сигналы)/манипуляции(дискретные)

- АМ, ЧМ, ФМ, однополосная, импульсная.

По диапазону частот:

- НЧ (ДВ), СЧ (СВ), ВЧ (КВ), ОВЧ, УВЧ (УКВ), СВЧ, приемники оптического диапазона.

По способу питания:

- сетевые и аккумуляторные;