Оценка динамического диапазона приемника

Динамический диапазон приемника ограничен снизу шумами приемника, сверху – пределами линейной части характеристик его каскадов. Строгий расчет динамического диапазона требует изучения нелинейности характеристик каскадов, характер и величина которой зависят от схемы каскада, типа активного прибора, режима его работы и т. д. Оценку динамического диапазона рекомендуется произвести по упрощенной методике.

Амплитудную характеристику любого усилителя или смесителя можно аппроксимировать рядом

,

где коэффициенты K ₂, K ₃ и т. д. характеризуют искажающие свойства каскада. При наличии на входе усилителя или смесителя двух сигналов (например, полезного сигнала с частотой и помехи с частотой , близкой к ) на выходе, кроме сигналов и появляются гармоники этих сигналов, комбинационные частоты и постоянная составляющая. Их уровень непосредственно связан с нелинейностью усилителей и смесителей. Принципиально нелинейными являются также варикапы, переключающие диоды и некоторые другие элементы, используемые в сигнальных цепях. Оценка нелинейности обычно производится двухсигнальным методом.

Динамический диапазон D – это выраженное в децибелах отношение уровня двух равных по величине входных сигналов к уровню создаваемой ими комбинационной помехи при условии равенства ее уровня уровню собственных шумов приемника. Расчетная формула:

,

где — уровень полезного сигнала на входе, при котором на выходе уровень комбинационной составляющей третьего порядка равен уровню полезного сигнала на линейном продолжении амплитудной характеристики (рис. 33).

На рис.33 приведены графики зависимости выходной мощности сигналов с частотами и от их мощности на входе. При превышении определенного уровня входных сигналов линейный рост выходных сигналов замедляется. Если продолжить линейную часть графика полезного сигнала (пунктирная линия), то в точке пересечения А выходной уровень полезного сигнала равен уровню составляющей третьего порядка.

Координаты точки А характеризуют линейные свойства каскада, причем значение А _ВХ на оси абсцисс соответствует входному уровню сигналов, а А _ВЫХ на оси ординат – выходному.

 

Рис. 33. График зависимости выходной мощности полезного сигнала и комбинационной составляющей третьего порядка от уровня полезного сигнала при двухсигнальном методе исследования

P ш вых

Р ВЫХ , дБ

 

В активных цепях значение А _ВЫХ больше А _ВХ на коэффициент усиления каскада G, выраженный в децибелах:

А _ВЫХ(дБм) = А _ВХ(дБм) + G (дБ).

В пассивных цепях, например в диодных смесителях, значение А _ВЫХ меньше А _ВХ на величину потерь в смесителе.

Зная положение точки А на графике, можно рассчитать уровень колебаний комбинационной частоты при любых входных сигналах: если каскад работает при уровне выходного сигнала на Х дБ ниже значения А _ВЫХ, то уровень комбинационных частот третьего порядка будет на 3 Х дБ ниже значения А _ВЫХ. Допустим, А _ВЫХ = дБм и Р _ВЫХ 10 дБм. Тогда Х = Р _{ВЫХ ВЫХ} дБ и уровень комбинационных частот третьего порядка будет на 3∙40=120 дБ ниже значения А _ВЫХ.

Для уменьшения уровня комбинационных искажений следует снижать уровни входных сигналов. Однако это допустимо лишь до тех пор, пока комбинационные колебания превышают уровень собственных шумов приемника. Динамический диапазон лучших современных приемников достигает 100…120 дБ, что дает возможность принимать полезный сигнал при уровнях помех, превышающих его в 10⁵…10⁶ раз.

При оценке динамического диапазона расчет производится следующим образом. Оценивается мощность шума, приведенная к входу приемника

,

где П – отношение полосы пропускания приемника к полосе 1 Гц, N – безразмерный коэффициент шума. Затем из табл. 8 выбирается значение А _ВЫХ, соответствующее типу каскада, и рассчитывается А _ВХ:

А _ВХ = А _ВЫХ – G,

где А _ВХи А _ВЫХимеют размерность дБм, а G – коэффициент передачи каскада (по мощности), дБ. После этого пользуются расчетной формулой для D.

Таблица 8

Значение параметра А _{ВЫХвых.} Таблица 8

 

№	Тип каскада	А ВЫХ, дБм
	УРЧ на транзисторе	5 – 10
	Смеситель на транзисторе	0 – 5
	Смеситель на двухзатворном полевом транзисторе	18 – 20
	Кольцевой смеситель на диодах	15 – 20
	Балансный смеситель на полевых транзисторах в пассивном режиме

 

В качестве примера рассчитаем динамический диапазон приемника, первым каскадом которого является смеситель на двухзатворном полевом транзисторе КП350. Исходные параметры: усиление смесителя G = 20 дБ, параметр А _ВЫХ = 18 дБ, коэффициент шума N = 10 дБ, полоса пропускания селективного тракта П = 500 Гц. Получаем:

А _ВХ = А _ВЫХ – G = 18 – 20 дБм= – 2 дБм, Р _Ш.ВХ = – 174+10 lg 500 + 10 =
– 137 дБм, D = ⅔ (‑ 2 + 137) дБ = 90 дБ.

При расчете приемника его каскады должны быть согласованы по максимальному допустимому уровню входных и выходных сигналов. Значение А _ВЫХ первого каскада должно быть больше или равно значению А _ВХ второго каскада и т. д. Динамический диапазон приемника в целом ограничивается динамическим диапазоном того из каскадов, стоящих пред ФСС, у которого этот диапазон минимален.

Рассмотрим пример. Пусть первыми каскадами приемника являются УРЧ (N _УРЧ = 6 дБ, G _УРЧ = 20 дБ, А _{ВЫХ.УРЧ} = 5 дБм) и активный смеситель (N _СМ = 20 дБ, G _СМ = 3 дБ, А _ВЫХ.СМ = 0 дБм). Имеем:

А _ВХ.СМ = А _ВЫХ.СМ – G _СМ = 0 – 3 дБм= – 3 дБм.

Следовательно, , т. е. допустимый уровень сигналов на входе УРЧ выше, чем допустимый уровень входных сигналов смесителя, и при расчете динамического диапазона приемника вместо А _{ВЫХ. УРЧ} следует брать А _ВХ.СМ.

 

Совместный коэффициент шума УРЧ и смесителя:

.

Шумовой порог (при П = 3 кГц):

Р _Ш.ВХ = – 174 дБм + 7 дБ + 35 дБ = – 132 дБм.

Параметр А _ВХ приемника:

А _ВХ = А _ВХ.СМ – G _УРЧ = – 3 дБм – 20 дБм = – 23 дБм.

Динамический диапазон:

.

Заметим, что расчет динамического диапазона приемника без УРЧ дает в рассматриваемом примере 77,3 дБ, т. е. включение в схему УРЧ, с одной стороны, повышает чувствительность приемника, но с другой ‑ уменьшает динамический диапазон. Снижение динамического диапазона по соседнему каналу приема из-за перегрузки первого смесителя, вызванной избыточным усилением предшествующих каскадов, приводит к «непрозрачности эфира» – не удается выделить слабый сигнал из шумов при наличии помех. В этом случае следует повысить избирательность входных цепей или включить на входе приемника аттенюатор, не нарушающий режимов работы активных элементов, выбранных из условий максимальной линейности.

Для оценки линейных свойств каскадов, следующих за ФСС, используется понятие динамического диапазона по основному каналу приема. Верхний предел динамического диапазона по основному каналу определяется нелинейностью последнего каскада УПЧ или УНЧ, нижний – шумами. Расширение динамического диапазона по основному каналу достигается применением эффективной системы АРУ, снижающей перегрузку конечных каскадов и, следовательно, величину нелинейных искажений.

Выбор регулировок приемника

При эскизном проектировании предусматривается система регулировок, обеспечивающая:

- поддержание точной настройки приемника на частоту принимаемого сигнала;

- поддержание заданного уровня сигнала на входе детектора.

Автоматическая подстройка частоты гетеродина позволяет уменьшить до допустимой величины требуемую полосу пропускания УПЧ приемника, если абсолютное значение нестабильности настроек велико.

Если принять, что без системы АПЧ требуется полоса

,

 

то при наличии АПЧ с коэффициентом подстройки К _АПЧ

.

Здесь f _Д – доплеровское смещение частоты, а величина нестабильности настроек П_НС определяется по формуле:

,

где и – нестабильности частот сигнала и гетеродина, и – неточности настроек частот гетеродина и УПЧ.

При расчете задаются относительной нестабильностью частот , соответствующей выбранной схеме устройства. Чем выше частота f, тем больше получается абсолютное значение нестабильности. Поэтому, например, в области ДВ и СВ вещательных диапазонов величина П_НС оказывается небольшой, по сравнению с П_С, и система АПЧ не требуется, а в области УКВ диапазона – большой, что делает систему АПЧ обязательной.

Транзисторный гетеродин без кварцевой стабилизации имеет относительную нестабильность частоты порядка 10 ^{– 3} … 10 ^{– 4} в диапазоне частот ниже
30 МГц и 10 ^{– 2} … 10 ^{– 3} в диапазоне частот выше 30 МГц. Применение кварцевой стабилизации позволяет уменьшить величину относительной нестабильности до 10 ^{– 5} … 10 ^{– 7}.

Значение зависит от способа настройки. Коэффициент / = 0,003 … 0,0003.

При наличии системы ФАП полагают П = П_С.

Система АРУ применяется для расширения динамического диапазона приемника по основному каналу и как корректор мультипликативной помехи. Если требуемый диапазон входных сигналов составляет А дБ, а изменение напряжения на выходе допускается в пределах В дБ, то требуемое изменение коэффициента усиления приемника равно (А – В) дБ.

Режимная регулировка позволяет изменять коэффициент усиления одного транзисторного усилительного каскада на 20-26 дБ. Максимальный уровень входного напряжения такого каскада ограничен значением

,

где – амплитуда входного сигнала в милливольтах, – допустимый для данного каскада коэффициент нелинейных искажений при коэффициенте модуляции . Обычно мВ.

 

Полагая, что в качестве регулируемых каскадов в радиоприемнике используются идентичные усилители промежуточной частоты, определяют требуемое число каскадов

,

с округлением до ближайшего большего целого числа.

В целях обеспечения хороших характеристик реальной избирательности, чувствительности и линейности преобразования нежелательно регулировать усиление в первом каскаде УРЧ и смесителях. При необходимости на УРЧ организуется отдельная цепь АРУ, управляющее напряжение которой вырабатывается по сигналу, еще не прошедшему ФСС. Это позволяет снижать усиление УРЧ при действии мощных внеполосных помех, что способствует уменьшению перекрестных и интермодуляционных искажений, т.е. расширению динамического диапазона приемника.

В современных радиоприемных устройствах проблему регулирования усиления решают путем использования управляемых аттенюаторов на диодах или варикапах, включаемых между каскадами. Перспективным является также метод регулирования за счет изменения глубины отрицательной обратной связи усилителей. Метод имеет то положительное свойство, что введение обратной связи улучшает линейность усилителя.