ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.10.2023
Просмотров: 210
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
р обеспечивается максимальное усиление (в данном случае выраженное как минимальный уровень сигнала по мощности) Pпр min.
За пределами полосы пропускания приемник характеризуется допустимыми уровнями помех Р1, Р2.
Динамический диапазон D зависит от расстройки относительно fр.
Существует три основных структурных схемы радиоприемников:
приемник прямого усиления;
супергетеродин;
приемник прямого преобразования.
Рассмотрим их по порядку.
Структурная схема приемника прямого усиления приведена на рис. 10.2.
От приемной антенны радиосигнал поступает на входную избирательную цепь (ВЦ), осуществляющую селекцию полезного сигнала на фоне помех. Далее ВЧ-сигнал усиливается усилителем высокой частоты (УВЧ, иногда его называют усилителем радиочастоты УРЧ). Назначение УВЧ обеспечение амплитуды ВЧ-сигнала, необходимой для работы детектора (Д). Детектор выделяет НЧ-сигнал, содержащий полезную информацию. После этого НЧ-сигнал усиливается усилителем низкой частоты (УНЧ, иногда его называют видеоусилителем) до уровня, необходимого для правильной работы оконечного устройства (ОУ). Вид оконечного устройства зависит от назначения радиоприемника. Самое распространенное оконечное устройство громкоговоритель (наушники). Оконечное устройство тракта обработки изображений телевизионного приемника кинескоп или матричный индикатор. Радиолокационный приемник снабжен оконечным устройством специального типа, например индикатором кругового обзора и т.д.
Основное достоинство приемника прямого усиления простота.
Два главных недостатка низкая чувствительность и плохая избирательность сильно ограничивают области применения таких радиоприемников.
Указанные недостатки обусловлены тем обстоятельством, что основную обработку в данной схеме выполняет УВЧ, а обеспечить одновременно высокое усиление и заданную полосу пропускания на высоких частотах сложно технически.
Перестройка по частоте приемника прямого усиления также осуществляется недостаточно эффективно.
Устранить недостатки приемников прямого усиления позволяет супергетеродинный приемник
, основные блоки которого приведены на рис. 10.3.
Приемная антенна (А) связана с преселектором (ПС), роль которого аналогична входной цепи (ВЦ) на рис. 10.2. С выхода УВЧ сигнал на частоте fc поступает на преобразователь частоты (ПЧ), состоящий из смесителя (См), на который подается напряжение гетеродина (Гет) с частотой fг. В результате на выходе преобразователя частоты формируется сигнал на промежуточной частоте fпч. Этот сигнал усиливается усилителем промежуточной частоты (УПЧ), который обеспечивает основное усиление и основную избирательность всего радиоприемника. После УПЧ сигнал детектируется детектором, поступает на УНЧ и далее к оконечному устройству.
Если частота входного сигнала выше, чем частота гетеродина, то выполняется следующее соотношение:
fпч = fc fг = const. (10.1)
Когда выше частота гетеродина, формула видоизменяется так
fпч = fг fс = const. (10.2)
Поскольку промежуточная частота должна быть неизменной, то необходимо перестраивать не только преселектор и УВЧ, но и гетеродин.
Обычно fпч << fc , поэтому на сравнительно низкой (причем постоянной) частоте гораздо легче реализовать большое усиление и хорошую избирательность. Это главные преимущества супергетеродинов.
Процесс преобразования частоты в обычном супергетеродинном приемнике иллюстрирует рис. 10.4.
Супергетеродинные приемники составляют подавляющее большинство всех выпускающихся приемных устройств. По супергетеродинной схеме строятся вещательные и связные радиоприемники, приемные тракты телевизоров, приемные устройства радиолокационных станций и многие другие.
Долгое время даже считалось, что применять другие типы радиоприемников нецелесообразно. Однако к концу 60-х годов ХХ века вновь обратились к предшественнику супергетеродина, так называемому гетеродинному приемнику (без префикса «супер»).
На самом деле супергетеродинный приемник не лишен недостатков.
Помимо основного канала приема супергетеродин имеет множество так называемых побочных каналов, самым нежелательным из которых считается зеркальный (рис. 10.5).
Еще один недостаток возможность излучения в эфир через приемную антенну сигнала внутреннего гетеродина, что ухудшает электромагнитную обстановку.
Рис. 10.5
Примечание. В процессе совершенствования методов радиоприема были разработаны супергетеродинные приемники, в которых осуществляется несколько преобразований частоты. Как правило, первая промежуточная частота при этом выше, чем частота входного сигнала, а последующие промежуточные частоты ниже. Такой метод позволяет эффективнее подавить помехи по зеркальному и побочному каналам приема.
Наконец, очевидно, что по сравнению с приемником прямого усиления супергетеродин сложнее в изготовлении, настройке и эксплуатации.
Еще один недостаток, присущий не только классическим супергетеродинам, но и простым приемникам прямого усиления наличие нелинейного амплитудного детектора. Такой детектор вносит нелинейные искажения, он способен работать только при достаточно большом уровне входного сигнала и обладает малой помехоустойчивостью.
В современных решениях обычный диодный детектор заменен так называемым синхронным детектором, представляющим собой, по сути, преобразователь частоты.
Гетеродинный приемник иногда так и называют «супергетеродин с нулевой ПЧ», известно и другое название приемник прямого преобразования DCR (Direct Conversion Receiver).
Структурная схема DCR приведена на рис. 10.6.
Как видно из рис. 10.6 многие блоки DCR аналогичны супергетеродину и служат для тех же целей. Преобразователь частоты выполняет демодуляцию сигнала и называется «синхронным детектором» (СД). Поскольку центральная частота сигнала равна частоте гетеродина, на выходе синхронного детектора сразу получаем полезный низкочастотный сигнал. Таким образом, в отличие от двухступенчатого процесса, показанного на рис. 10.4, здесь выполняется линейный перенос спектра полезного сигнала сразу в низкочастотную область.
Все преимущества классических супергетеродинов в приемниках прямого преобразования сохраняются, к тому же схема оказывается проще, а нелинейные искажения меньше. Вот почему принцип синхронного детектирования нашел самое широкое практическое применение. Сейчас он используется при разработке радиоприемных устройств повсеместно.
К сожалению, в DCR сохраняются некоторые недостатки обычных супергетеродинов: есть побочные каналы приема и возможность паразитного излучения гетеродина.
Рассмотрим некоторые схемотехнические решения различных каскадов радиоприемников.
Входные цепи могут выполняться с емкостной, трансформаторной или автотрансформаторной связью (рис. 10.7, а, б и в, соответственно). Первая схема используется преимущественно на высоких рабочих частотах, вторая на низких частотах. Третий вариант представляет собой компромисс, позволяющий избежать шунтирования входного каскада УВЧ.
В каскадах УВЧ биполярные транзисторы, включают по схеме с общей базой (так удается уменьшить влияние паразитных емкостей прибора), полевые транзисторы используют по схеме с общим истоком (это обеспечивает высокое входное сопротивление).
На рис. 10.8 приведен пример УВЧ на двухзатворном МДП транзисторе.
Входной сигнал выделяется колебательным контуром, состоящим из элементов Lк1, Ск1 и Сп1 и поступает на первый затвор МДП-транзистора VT. Резистивный делитель R1, R2 создает на втором затворе транзистора постоянное напряжение смещения, определяющее статический режим каскада. Резистор R3 стабилизирует работу схемы. Нагрузкой транзистора служит контур, образованный элементами Lк2, Ск2 и Сп2. Выходное напряжение снимается с катушки связи Lсв. Для развязки постоянной и переменной составляющих предусмотрены блокировочные конденсаторы Сбл1...Сбл4. Настройка каскада осуществляется одновременным изменением емкости переменных конденсаторов Ск1 и Ск2.
Цепь второго затвора можно использовать для осуществления автоматической регулировки усиления (АРУ), коэффициент усиления можно регулировать, изменяя отвод катушки Lк2.
В гетеродинах радиоприемников могут применяться известные схемы емкостной и индуктивной трехточки. На рис. 10.9 приведен пример гетеродина на биполярном транзисторе по схеме емкостной трехточки.
Контур задающего генератора образован элементами Lк, Ск , а также Ск1, Ск2 и Ск3, образующими емкостной делитель для обеспечения условия баланса амплитуд.
Транзистор VT1 включен по схеме с общим эмиттером, выходной сигнал снимается с нагрузки Rк. Для улучшения характеристик гетеродина предусмотрен буферный каскад на транзисторе
VT2, включенном по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель), выходной сигнал снимается с нагрузки каскада Rэ. Развязку по питанию обеспечивает дроссель Lр и блокировочный конденсатор Сбл. Резисторные делители R1, R2и R3, R4 задают статические режимы транзисторов VT1 и VT2.
Существует много различных вариантов смесителей. Все схемы можно условно разделить на активные и пассивные. Первые обеспечивают больший коэффициент передачи, но имеют меньшее отношение сигнал/шум. Схемотехника активных смесителей аналогична усилителям. Поэтому здесь рассмотрим примеры схем пассивных смесителей.
На рис. 10.10 приведен пример диодного балансного смесителя.
Входной сигнал Uc поступает на катушку связи Lсв. Отвод катушки L1 делит ее поровну на две части. В результате напряжения на диодах VD1 и VD2 оказываются равными. Сигнал гетеродина Uг подается на емкостной делитель, образованный подстроечными конденсаторами Сп1 и Сп2. В результате на резисторе нагрузки Rн формируется напряжение биений с разностной частотой fc – fг . Балансировка схемы осуществляется подбором емкостей конденсаторов Сп1 и Сп2, а также сопротивления резистора Rн.
НЧ-фильтр из элементов Lф, Сф1 и Сф2 необходим для уменьшения паразитных высокочастотных составляющих.
Примечание. Рассмотренная схема обладает свойством обратимости: при подаче на ее выход напряжения сигнала, на входе получим промодулированное ВЧ-колебание, т.е. получим балансный модулятор.
Еще один интересный пример приведен на рис. 10.11 – смеситель на встречно соединенных полевых транзисторах.
В схеме нет источника питания. Здесь полевые транзисторы VT1 и VT2 работают по сути как управляемые переменные резисторы, чем объясняется исключительно малый уровень собственных шумов смесителя. Для правильной работы схемы необходимо выполнить важное условие fг = fc /2. Это позволяет также улучшить развязку входных цепей и гетеродина. Связь со входом автотрансформаторная через отвод катушки
За пределами полосы пропускания приемник характеризуется допустимыми уровнями помех Р1, Р2.
Динамический диапазон D зависит от расстройки относительно fр.
Существует три основных структурных схемы радиоприемников:
приемник прямого усиления;
супергетеродин;
приемник прямого преобразования.
Рассмотрим их по порядку.
Структурная схема приемника прямого усиления приведена на рис. 10.2.
От приемной антенны радиосигнал поступает на входную избирательную цепь (ВЦ), осуществляющую селекцию полезного сигнала на фоне помех. Далее ВЧ-сигнал усиливается усилителем высокой частоты (УВЧ, иногда его называют усилителем радиочастоты УРЧ). Назначение УВЧ обеспечение амплитуды ВЧ-сигнала, необходимой для работы детектора (Д). Детектор выделяет НЧ-сигнал, содержащий полезную информацию. После этого НЧ-сигнал усиливается усилителем низкой частоты (УНЧ, иногда его называют видеоусилителем) до уровня, необходимого для правильной работы оконечного устройства (ОУ). Вид оконечного устройства зависит от назначения радиоприемника. Самое распространенное оконечное устройство громкоговоритель (наушники). Оконечное устройство тракта обработки изображений телевизионного приемника кинескоп или матричный индикатор. Радиолокационный приемник снабжен оконечным устройством специального типа, например индикатором кругового обзора и т.д.
Основное достоинство приемника прямого усиления простота.
Два главных недостатка низкая чувствительность и плохая избирательность сильно ограничивают области применения таких радиоприемников.
Указанные недостатки обусловлены тем обстоятельством, что основную обработку в данной схеме выполняет УВЧ, а обеспечить одновременно высокое усиление и заданную полосу пропускания на высоких частотах сложно технически.
Перестройка по частоте приемника прямого усиления также осуществляется недостаточно эффективно.
Устранить недостатки приемников прямого усиления позволяет супергетеродинный приемник
, основные блоки которого приведены на рис. 10.3.
Приемная антенна (А) связана с преселектором (ПС), роль которого аналогична входной цепи (ВЦ) на рис. 10.2. С выхода УВЧ сигнал на частоте fc поступает на преобразователь частоты (ПЧ), состоящий из смесителя (См), на который подается напряжение гетеродина (Гет) с частотой fг. В результате на выходе преобразователя частоты формируется сигнал на промежуточной частоте fпч. Этот сигнал усиливается усилителем промежуточной частоты (УПЧ), который обеспечивает основное усиление и основную избирательность всего радиоприемника. После УПЧ сигнал детектируется детектором, поступает на УНЧ и далее к оконечному устройству.
Если частота входного сигнала выше, чем частота гетеродина, то выполняется следующее соотношение:
fпч = fc fг = const. (10.1)
Когда выше частота гетеродина, формула видоизменяется так
fпч = fг fс = const. (10.2)
Поскольку промежуточная частота должна быть неизменной, то необходимо перестраивать не только преселектор и УВЧ, но и гетеродин.
Обычно fпч << fc , поэтому на сравнительно низкой (причем постоянной) частоте гораздо легче реализовать большое усиление и хорошую избирательность. Это главные преимущества супергетеродинов.
Процесс преобразования частоты в обычном супергетеродинном приемнике иллюстрирует рис. 10.4.
Супергетеродинные приемники составляют подавляющее большинство всех выпускающихся приемных устройств. По супергетеродинной схеме строятся вещательные и связные радиоприемники, приемные тракты телевизоров, приемные устройства радиолокационных станций и многие другие.
Долгое время даже считалось, что применять другие типы радиоприемников нецелесообразно. Однако к концу 60-х годов ХХ века вновь обратились к предшественнику супергетеродина, так называемому гетеродинному приемнику (без префикса «супер»).
На самом деле супергетеродинный приемник не лишен недостатков.
Помимо основного канала приема супергетеродин имеет множество так называемых побочных каналов, самым нежелательным из которых считается зеркальный (рис. 10.5).
Еще один недостаток возможность излучения в эфир через приемную антенну сигнала внутреннего гетеродина, что ухудшает электромагнитную обстановку.
Рис. 10.5
Примечание. В процессе совершенствования методов радиоприема были разработаны супергетеродинные приемники, в которых осуществляется несколько преобразований частоты. Как правило, первая промежуточная частота при этом выше, чем частота входного сигнала, а последующие промежуточные частоты ниже. Такой метод позволяет эффективнее подавить помехи по зеркальному и побочному каналам приема.
Наконец, очевидно, что по сравнению с приемником прямого усиления супергетеродин сложнее в изготовлении, настройке и эксплуатации.
Еще один недостаток, присущий не только классическим супергетеродинам, но и простым приемникам прямого усиления наличие нелинейного амплитудного детектора. Такой детектор вносит нелинейные искажения, он способен работать только при достаточно большом уровне входного сигнала и обладает малой помехоустойчивостью.
В современных решениях обычный диодный детектор заменен так называемым синхронным детектором, представляющим собой, по сути, преобразователь частоты.
Гетеродинный приемник иногда так и называют «супергетеродин с нулевой ПЧ», известно и другое название приемник прямого преобразования DCR (Direct Conversion Receiver).
Структурная схема DCR приведена на рис. 10.6.
Как видно из рис. 10.6 многие блоки DCR аналогичны супергетеродину и служат для тех же целей. Преобразователь частоты выполняет демодуляцию сигнала и называется «синхронным детектором» (СД). Поскольку центральная частота сигнала равна частоте гетеродина, на выходе синхронного детектора сразу получаем полезный низкочастотный сигнал. Таким образом, в отличие от двухступенчатого процесса, показанного на рис. 10.4, здесь выполняется линейный перенос спектра полезного сигнала сразу в низкочастотную область.
Все преимущества классических супергетеродинов в приемниках прямого преобразования сохраняются, к тому же схема оказывается проще, а нелинейные искажения меньше. Вот почему принцип синхронного детектирования нашел самое широкое практическое применение. Сейчас он используется при разработке радиоприемных устройств повсеместно.
К сожалению, в DCR сохраняются некоторые недостатки обычных супергетеродинов: есть побочные каналы приема и возможность паразитного излучения гетеродина.
Рассмотрим некоторые схемотехнические решения различных каскадов радиоприемников.
Входные цепи могут выполняться с емкостной, трансформаторной или автотрансформаторной связью (рис. 10.7, а, б и в, соответственно). Первая схема используется преимущественно на высоких рабочих частотах, вторая на низких частотах. Третий вариант представляет собой компромисс, позволяющий избежать шунтирования входного каскада УВЧ.
В каскадах УВЧ биполярные транзисторы, включают по схеме с общей базой (так удается уменьшить влияние паразитных емкостей прибора), полевые транзисторы используют по схеме с общим истоком (это обеспечивает высокое входное сопротивление).
На рис. 10.8 приведен пример УВЧ на двухзатворном МДП транзисторе.
Входной сигнал выделяется колебательным контуром, состоящим из элементов Lк1, Ск1 и Сп1 и поступает на первый затвор МДП-транзистора VT. Резистивный делитель R1, R2 создает на втором затворе транзистора постоянное напряжение смещения, определяющее статический режим каскада. Резистор R3 стабилизирует работу схемы. Нагрузкой транзистора служит контур, образованный элементами Lк2, Ск2 и Сп2. Выходное напряжение снимается с катушки связи Lсв. Для развязки постоянной и переменной составляющих предусмотрены блокировочные конденсаторы Сбл1...Сбл4. Настройка каскада осуществляется одновременным изменением емкости переменных конденсаторов Ск1 и Ск2.
Цепь второго затвора можно использовать для осуществления автоматической регулировки усиления (АРУ), коэффициент усиления можно регулировать, изменяя отвод катушки Lк2.
В гетеродинах радиоприемников могут применяться известные схемы емкостной и индуктивной трехточки. На рис. 10.9 приведен пример гетеродина на биполярном транзисторе по схеме емкостной трехточки.
Контур задающего генератора образован элементами Lк, Ск , а также Ск1, Ск2 и Ск3, образующими емкостной делитель для обеспечения условия баланса амплитуд.
Транзистор VT1 включен по схеме с общим эмиттером, выходной сигнал снимается с нагрузки Rк. Для улучшения характеристик гетеродина предусмотрен буферный каскад на транзисторе
VT2, включенном по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель), выходной сигнал снимается с нагрузки каскада Rэ. Развязку по питанию обеспечивает дроссель Lр и блокировочный конденсатор Сбл. Резисторные делители R1, R2и R3, R4 задают статические режимы транзисторов VT1 и VT2.
Существует много различных вариантов смесителей. Все схемы можно условно разделить на активные и пассивные. Первые обеспечивают больший коэффициент передачи, но имеют меньшее отношение сигнал/шум. Схемотехника активных смесителей аналогична усилителям. Поэтому здесь рассмотрим примеры схем пассивных смесителей.
На рис. 10.10 приведен пример диодного балансного смесителя.
Входной сигнал Uc поступает на катушку связи Lсв. Отвод катушки L1 делит ее поровну на две части. В результате напряжения на диодах VD1 и VD2 оказываются равными. Сигнал гетеродина Uг подается на емкостной делитель, образованный подстроечными конденсаторами Сп1 и Сп2. В результате на резисторе нагрузки Rн формируется напряжение биений с разностной частотой fc – fг . Балансировка схемы осуществляется подбором емкостей конденсаторов Сп1 и Сп2, а также сопротивления резистора Rн.
НЧ-фильтр из элементов Lф, Сф1 и Сф2 необходим для уменьшения паразитных высокочастотных составляющих.
Примечание. Рассмотренная схема обладает свойством обратимости: при подаче на ее выход напряжения сигнала, на входе получим промодулированное ВЧ-колебание, т.е. получим балансный модулятор.
Еще один интересный пример приведен на рис. 10.11 – смеситель на встречно соединенных полевых транзисторах.
В схеме нет источника питания. Здесь полевые транзисторы VT1 и VT2 работают по сути как управляемые переменные резисторы, чем объясняется исключительно малый уровень собственных шумов смесителя. Для правильной работы схемы необходимо выполнить важное условие fг = fc /2. Это позволяет также улучшить развязку входных цепей и гетеродина. Связь со входом автотрансформаторная через отвод катушки