ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.10.2023
Просмотров: 273
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
Лекция 1. Введение в радиоэлектронику
Лекция 2. Сигналы и их временные модели
Лекция 3. Сигналы и их спектры
Лекция 4. Дискретизация сигнала и спектра
Лекция 5. Амплитудно-модулированные колебания
Лекция 6. Колебания с угловой и импульсной модуляцией
Примечание. Знак "+" означает возможность применения данного сигнала
Лекция 7. Линейные радиотехнические цепи
.
Введем новую величину
= t0/Т0,
называемую углом отсечки.
Итак, угол отсечки – это половина интервала времени (выраженного в радианах или градусах) в течение которого через нелинейный элемент протекает ток. Угол отсечки удобен, поскольку его величина зависит только от соотношения между Uн , U0 и Um , а не от частоты входного сигнала:
= arccos [(Uн – U0)/ Um]. (8.3)
Как было указано ранее спектр последовательности косинусоидальных импульсов содержит бесконечное число составляющих на частотах кратных f0.
Найдем амплитуды этих спектральных составляющих. Опуская промежуточные преобразования, сразу приведем окончательные результаты:
I0 = S Um 0() = Im 0();
I1 = S Um 1() = Im 1();
I2 = S Um 2() = Im 2(); (8.4)
...
In = S Um n() = Im n().
Здесь n() и n() – функции Берга, показывающие зависимость амплитуды n-й гармоники спектра выходного сигнала от амплитуды напряжения (или тока) входного синусоидального сигнала.
Приведем общие выражения для вычисления функций Берга для n 2
n() =
,
n() = n()/(1–cos). (8.5)
Практическое значение рассмотренного примера состоит в возможности оптимизации режимов работы нелинейных элементов в резонансных усилителях и умножителях частоты.
Существует эмпирическая формула для оптимального угла отсечки:
опт = 2/3n, (8.6)
где n – номер гармоники.
Если необходимо обеспечить максимум первой гармоники выходного сигнала (режим резонансного усиления), то угол отсечки следует выбирать равным = 120.
В режиме умножения частоты, когда необходимо получить максимум второй гармоники, = 60, для третей гармоники = 40.
Пример 8.2.
Пусть ВАХ нелинейного элемента описывается выражением вида (8.2)
i(u) = a0 + a1(u – U0) + a2(u – U0)2 + a3(u – U0)3 + ...
Входной сигнал аналогичен примеру 8.1, но для упрощения положим начальную фазу равной нулю:
uвх(t) = U0 + Umcos(f0t).
Решение.
Если в (8.2) подставить
u = uвх и выполнить тригонометрические преобразования, то можно получить следующие результаты:
i(u) = I0 + I1cos f0t + I2cos2 f0t + I3cos3 f0t + ...
Здесь
I0 = a0 + (1/2)a2Um2 +(3/8) a4Um4 + ...
I1 = a1Um + (3/4)a3Um3 +(5/8) a5Um5 + ...
I2 = (1/2)a2Um2 +(1/2) a4Um4 + ...
I3 = (1/4)a3Um3 +(5/16) a5Um5 + ...
...
Анализируя полученные выражения можно сделать основные выводы.
1. Амплитуды четных гармоник зависят от четных степеней разложения, нечетных гармоник – от нечетных степеней.
2. Амплитуда n-й гармоники зависит от членов разложения порядка n и более, и не зависит от членов меньшего порядка.
3. Наивысшая гармоника в спектре тока определяется максимальной степенью аппроксимирующего полинома.
Пример 8.3. Рассмотрим воздействие произвольного сигнала на нелинейный элемент с ВАХ аппроксимированной полиномом (8.2).
Решение.
Входной сигнал произвольной формы можно разложить в ряд Фурье:
uвх(t) = U0 +
.
Опуская громоздкие преобразования приведем общее выражение для выходного сигнала:
uвых(t) =
.
Введем обозначение N = l+k – порядок комбинационной частоты.
При N = 1 в спектре выходного сигнала присутствуют кратные частоты f1, f2, f3, f4 и т.д.
При N = 2 в спектре выходного сигнала присутствуют кратные частоты 2f1,2f2,2f3 и т.д., а также комбинационные частоты вида fn fm
При N = 3 в спектре выходного сигнала присутствуют кратные частоты 3f1,3f2,3f3 и т.д., а также комбинационные частоты вида 2fn fm и fn 2fm.
. . . и т.д.
Широкие возможности линейной и нелинейной обработки сигналов обеспечивают цифровые фильтры.
На рис. 8.4 приведена обобщенная структурная схема цифрового устройства обработки сигналов.
Входной аналоговый сигнал поступает на АЦП (см. рис. 4.8) и преобразуется в исходную кодовую последовательность X. Множество отсчетов сигнала {xi} запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) и обрабатывается в арифметико-логическом устройстве (АЛУ). Промежуточные результаты хранятся в ОЗУ и во внутренних регистрах (Р) цифрового процессора (ЦП), команды поступают из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), здесь же хранятся необходимые константы. ЦП реализует предусмотренный алгоритм линейной или нелинейной фильтрации. Результирующая кодовая последовательность Y передается в ЦАП, где преобразуется в аналоговый сигнал. Для окончательного формирования выходного сигнала служит формирующий фильтр (ФФ). Синхронизацию работы всех цифровых элементов обеспечивает тактовый генератор (ТГ). Для повышения точности аналого-цифрового преобразования предусмотрен источник опорного напряжения (ИОН).
Существуют две основные разновидности цифровых фильтров:
1. Трансверсальные или КИХ-фильтры.
2. Рекурсивные или БИХ-фильтры.
Сигнал на выходе трансверсального фильтра зависит от текущего и предыдущих значений сигнала на его входе. Импульсная характеристика такого фильтра содержит конечное число отсчетов.
На вход рекурсивного фильтра поступает не только текущее и предшествующие значения входного сигнала, но и предшествующие значения сигнала на выходе, т.е. реализуется обратная связь. Число отсчетов импульсной характеристики рекурсивного фильтра бесконечно. Рекурсивные алгоритмы, реализуемые цифровыми фильтрами, в аналоговых системах, как правило, невозможны.
Радиопередающие устройства. Основные параметры радиопередатчиков. Структурные схемы радиопередатчиков с АМ и УМ. Примеры схемотехники основных каскадов радиопередатчиков.
Назначение радиопередающего устройства – эффективно преобразовать информационный сигнал и с максимальным КПД передать его в антенну для излучения в эфир.
Наиболее распространенные типы радиопередатчиков:
радиовещательные передатчики диапазонов ДВ, СВ и КВ;
радиовещательные передатчики диапазона УКВ;
телевизионные передатчики МВ и ДМВ;
передатчики систем спутникового телевидения;
передатчики радиорелейных линий связи;
передатчики подвижных систем связи;
стационарные передатчики сотовых систем связи;
мобильные передатчики сотовых систем связи;
передатчики радионавигационных станций;
передатчики радиолокационных станций;
радиолюбительские передатчики.
Технические, конструктивные и эксплуатационные требования к передатчикам разных типов существенно различаются.
Основные параметры радиопередатчика – номинальная выходная мощность и полоса частот, занимаемая спектром излучения. Мощность передатчика выражается в абсолютных (Вт) или относительных (дБ/Вт) единицах. В последнем случае значение отсчитывается в децибелах относительно мощности, равной 1 Вт:
Р [дБ/Вт] = 10lg(P0 /1Вт) = 10lgP0, (9.1)
где Р0 – номинальная мощность радиопередатчика, Вт.
Излучаемая через антенну электромагнитная мощность радиопередатчика в общем случае складывается из нескольких излучений.
Перечислим главные из них:
основное излучение на номинальной частоте;
излучение на гармониках;
комбинационные составляющие;
интермодуляционные компоненты;
внеполосные излучения;
шумовые помехи.
На рис. 9.1 приведен пример энергетического спектра излучения радиопередатчика. Номинальная рабочая частота радиопередатчика f0 определяет ось симметрии спектра (на рисунке показана штрихпунктирной линией).
Основное излучение занимает полосу частот Вн, за счет внеполосных излучений общая полоса расширяется до Взан. Ширина контрольной полосы частот Вк определяется на уровне –30 дБ. Необходимая и контрольная полосы частот различны для радиопередатчиков разных типов.
Структурная схема радиопередатчика диапазона ДВ, СВ или КВ с амплитудной модуляцией приведена на рис. 9.2.
Возбудитель представляет собой высокостабильный кварцевый генератор или синтезатор частоты с цепью фазовой автоподстройки. Частота на выходе синтезатора частот (СЧ) в несколько раз ниже рабочей частоты радиопередатчика, но ее стабильность достаточно высокая.
Умножитель частоты (УМЧ) служит для увеличения частоты до значения f0, соответствующего несущей требуемого диапазона (ДВ, СВ или КВ).
Предварительный усилитель (ПУ) формирует необходимую амплитуду несущей для обеспечения оптимального режима работы модулятора (М).
Низкочастотный модулирующий сигнал проходит через предварительный (ПК) и выходной (ВК) каскады усиления. В результате формируется сигнал с амплитудой, обеспечивающей максимальный КПД модулятора, поскольку именно этот каскад определяет номинальную выходную мощность передатчика.
На выходе модулятора формируется амплитудно-модулированный сигнал, который далее поступает на фильтр гармоник (ФГ), предназначенный для того, чтобы уменьшить паразитные излучения.
После этого окончательно сформированный сигнал через фидер (Ф) поступает в передающую антенну (А). Иногда для радиопередатчиков употребляют специальный термин "антенно-фидерное устройство" (АФУ). АФУ – сложная система кабелей и излучателей, предназначенная для излучения электромагнитной волны с заданными параметрами в требуемом направлении.
В современных радиопередатчиках с АМ используют балансную или однополосную виды модуляции. В этих случаях изменения касаются преимущественно модулятора, повышенные требования предъявляют также к фильтрам гармоник.
На рис. 9.3 приведена структурная схема радиовещательного передатчика диапазона УКВ с угловой модуляцией.
Возбудитель передатчика представляет собой комбинацию высокостабильного кварцевого задающего генератора (ЗГ) и синтезатора частоты (СЧ).
Введем новую величину
= t0/Т0,
называемую углом отсечки.
Итак, угол отсечки – это половина интервала времени (выраженного в радианах или градусах) в течение которого через нелинейный элемент протекает ток. Угол отсечки удобен, поскольку его величина зависит только от соотношения между Uн , U0 и Um , а не от частоты входного сигнала:
= arccos [(Uн – U0)/ Um]. (8.3)
Как было указано ранее спектр последовательности косинусоидальных импульсов содержит бесконечное число составляющих на частотах кратных f0.
Найдем амплитуды этих спектральных составляющих. Опуская промежуточные преобразования, сразу приведем окончательные результаты:
I0 = S Um 0() = Im 0();
I1 = S Um 1() = Im 1();
I2 = S Um 2() = Im 2(); (8.4)
...
In = S Um n() = Im n().
Здесь n() и n() – функции Берга, показывающие зависимость амплитуды n-й гармоники спектра выходного сигнала от амплитуды напряжения (или тока) входного синусоидального сигнала.
Приведем общие выражения для вычисления функций Берга для n 2
n() =
,n() = n()/(1–cos). (8.5)
Практическое значение рассмотренного примера состоит в возможности оптимизации режимов работы нелинейных элементов в резонансных усилителях и умножителях частоты.
Существует эмпирическая формула для оптимального угла отсечки:
опт = 2/3n, (8.6)
где n – номер гармоники.
Если необходимо обеспечить максимум первой гармоники выходного сигнала (режим резонансного усиления), то угол отсечки следует выбирать равным = 120.
В режиме умножения частоты, когда необходимо получить максимум второй гармоники, = 60, для третей гармоники = 40.
Пример 8.2.
Пусть ВАХ нелинейного элемента описывается выражением вида (8.2)
i(u) = a0 + a1(u – U0) + a2(u – U0)2 + a3(u – U0)3 + ...
Входной сигнал аналогичен примеру 8.1, но для упрощения положим начальную фазу равной нулю:
uвх(t) = U0 + Umcos(f0t).
Решение.
Если в (8.2) подставить
u = uвх и выполнить тригонометрические преобразования, то можно получить следующие результаты:
i(u) = I0 + I1cos f0t + I2cos2 f0t + I3cos3 f0t + ...
Здесь
I0 = a0 + (1/2)a2Um2 +(3/8) a4Um4 + ...
I1 = a1Um + (3/4)a3Um3 +(5/8) a5Um5 + ...
I2 = (1/2)a2Um2 +(1/2) a4Um4 + ...
I3 = (1/4)a3Um3 +(5/16) a5Um5 + ...
...
Анализируя полученные выражения можно сделать основные выводы.
1. Амплитуды четных гармоник зависят от четных степеней разложения, нечетных гармоник – от нечетных степеней.
2. Амплитуда n-й гармоники зависит от членов разложения порядка n и более, и не зависит от членов меньшего порядка.
3. Наивысшая гармоника в спектре тока определяется максимальной степенью аппроксимирующего полинома.
Пример 8.3. Рассмотрим воздействие произвольного сигнала на нелинейный элемент с ВАХ аппроксимированной полиномом (8.2).
Решение.
Входной сигнал произвольной формы можно разложить в ряд Фурье:
uвх(t) = U0 +
.Опуская громоздкие преобразования приведем общее выражение для выходного сигнала:
uвых(t) =
.Введем обозначение N = l+k – порядок комбинационной частоты.
При N = 1 в спектре выходного сигнала присутствуют кратные частоты f1, f2, f3, f4 и т.д.
При N = 2 в спектре выходного сигнала присутствуют кратные частоты 2f1,2f2,2f3 и т.д., а также комбинационные частоты вида fn fm
При N = 3 в спектре выходного сигнала присутствуют кратные частоты 3f1,3f2,3f3 и т.д., а также комбинационные частоты вида 2fn fm и fn 2fm.
. . . и т.д.
Широкие возможности линейной и нелинейной обработки сигналов обеспечивают цифровые фильтры.
На рис. 8.4 приведена обобщенная структурная схема цифрового устройства обработки сигналов.
Входной аналоговый сигнал поступает на АЦП (см. рис. 4.8) и преобразуется в исходную кодовую последовательность X. Множество отсчетов сигнала {xi} запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) и обрабатывается в арифметико-логическом устройстве (АЛУ). Промежуточные результаты хранятся в ОЗУ и во внутренних регистрах (Р) цифрового процессора (ЦП), команды поступают из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), здесь же хранятся необходимые константы. ЦП реализует предусмотренный алгоритм линейной или нелинейной фильтрации. Результирующая кодовая последовательность Y передается в ЦАП, где преобразуется в аналоговый сигнал. Для окончательного формирования выходного сигнала служит формирующий фильтр (ФФ). Синхронизацию работы всех цифровых элементов обеспечивает тактовый генератор (ТГ). Для повышения точности аналого-цифрового преобразования предусмотрен источник опорного напряжения (ИОН).
Существуют две основные разновидности цифровых фильтров:
1. Трансверсальные или КИХ-фильтры.
2. Рекурсивные или БИХ-фильтры.
Сигнал на выходе трансверсального фильтра зависит от текущего и предыдущих значений сигнала на его входе. Импульсная характеристика такого фильтра содержит конечное число отсчетов.
На вход рекурсивного фильтра поступает не только текущее и предшествующие значения входного сигнала, но и предшествующие значения сигнала на выходе, т.е. реализуется обратная связь. Число отсчетов импульсной характеристики рекурсивного фильтра бесконечно. Рекурсивные алгоритмы, реализуемые цифровыми фильтрами, в аналоговых системах, как правило, невозможны.
Лекция 9. Радиопередатчики
Радиопередающие устройства. Основные параметры радиопередатчиков. Структурные схемы радиопередатчиков с АМ и УМ. Примеры схемотехники основных каскадов радиопередатчиков.
Назначение радиопередающего устройства – эффективно преобразовать информационный сигнал и с максимальным КПД передать его в антенну для излучения в эфир.
Наиболее распространенные типы радиопередатчиков:
радиовещательные передатчики диапазонов ДВ, СВ и КВ;
радиовещательные передатчики диапазона УКВ;
телевизионные передатчики МВ и ДМВ;
передатчики систем спутникового телевидения;
передатчики радиорелейных линий связи;
передатчики подвижных систем связи;
стационарные передатчики сотовых систем связи;
мобильные передатчики сотовых систем связи;
передатчики радионавигационных станций;
передатчики радиолокационных станций;
радиолюбительские передатчики.
Технические, конструктивные и эксплуатационные требования к передатчикам разных типов существенно различаются.
Основные параметры радиопередатчика – номинальная выходная мощность и полоса частот, занимаемая спектром излучения. Мощность передатчика выражается в абсолютных (Вт) или относительных (дБ/Вт) единицах. В последнем случае значение отсчитывается в децибелах относительно мощности, равной 1 Вт:
Р [дБ/Вт] = 10lg(P0 /1Вт) = 10lgP0, (9.1)
где Р0 – номинальная мощность радиопередатчика, Вт.
Излучаемая через антенну электромагнитная мощность радиопередатчика в общем случае складывается из нескольких излучений.
Перечислим главные из них:
основное излучение на номинальной частоте;
излучение на гармониках;
комбинационные составляющие;
интермодуляционные компоненты;
внеполосные излучения;
шумовые помехи.
На рис. 9.1 приведен пример энергетического спектра излучения радиопередатчика. Номинальная рабочая частота радиопередатчика f0 определяет ось симметрии спектра (на рисунке показана штрихпунктирной линией).
Основное излучение занимает полосу частот Вн, за счет внеполосных излучений общая полоса расширяется до Взан. Ширина контрольной полосы частот Вк определяется на уровне –30 дБ. Необходимая и контрольная полосы частот различны для радиопередатчиков разных типов.
Структурная схема радиопередатчика диапазона ДВ, СВ или КВ с амплитудной модуляцией приведена на рис. 9.2.
Возбудитель представляет собой высокостабильный кварцевый генератор или синтезатор частоты с цепью фазовой автоподстройки. Частота на выходе синтезатора частот (СЧ) в несколько раз ниже рабочей частоты радиопередатчика, но ее стабильность достаточно высокая.
Умножитель частоты (УМЧ) служит для увеличения частоты до значения f0, соответствующего несущей требуемого диапазона (ДВ, СВ или КВ).
Предварительный усилитель (ПУ) формирует необходимую амплитуду несущей для обеспечения оптимального режима работы модулятора (М).
Низкочастотный модулирующий сигнал проходит через предварительный (ПК) и выходной (ВК) каскады усиления. В результате формируется сигнал с амплитудой, обеспечивающей максимальный КПД модулятора, поскольку именно этот каскад определяет номинальную выходную мощность передатчика.
На выходе модулятора формируется амплитудно-модулированный сигнал, который далее поступает на фильтр гармоник (ФГ), предназначенный для того, чтобы уменьшить паразитные излучения.
После этого окончательно сформированный сигнал через фидер (Ф) поступает в передающую антенну (А). Иногда для радиопередатчиков употребляют специальный термин "антенно-фидерное устройство" (АФУ). АФУ – сложная система кабелей и излучателей, предназначенная для излучения электромагнитной волны с заданными параметрами в требуемом направлении.
В современных радиопередатчиках с АМ используют балансную или однополосную виды модуляции. В этих случаях изменения касаются преимущественно модулятора, повышенные требования предъявляют также к фильтрам гармоник.
На рис. 9.3 приведена структурная схема радиовещательного передатчика диапазона УКВ с угловой модуляцией.
Возбудитель передатчика представляет собой комбинацию высокостабильного кварцевого задающего генератора (ЗГ) и синтезатора частоты (СЧ).