Схемотехника радиоприемников. Практическое пособие.

Глава 1. Основные положения

Прежде всего нужно отметить принципиальное различие между приемниками с рабочими частотами до 50 МГц, с одной стороны, и более высокочастотными приемниками-с другой. Согласно рис. 1.1 первые испытывают воздействие довольно мощных входных сигналов и поэтому должны обладать высокой помехоустойчивостью, в то время как их чувствительность играет незначительную роль.

С увеличением частоты мощность поступающих на вход приемника полезных сигналов и уровень внешних (индустриальных и атмосферных) шумов уменьшаются, так что на частотах свыше 50 МГц можно использовать приемники с худшей динамической характеристикой и постепенно возрастающей (в соответствии с рис. 1.2) чувствительностью.

Точка компрессии КР, т.е. абсолютная граница практически линейной динамической характеристики приемника, при каждом значении частоты должна находиться по меньшей мере на 10 дБ выше соответствующей точки верхней кривой на рис. 1.1, представляющей значения средней мощности в широкой полосе частот; можно также принять, что связанная с интермодуляционными составляющими третьего порядка очень важная “точка пересечения” IP1/3 расположена на 10... 20 дБ выше КР. Наряду с этим рекомендуется субоктавная ВЧ-селекция; другими словами, следует по возможности применять полосовые фильтры с отношением граничных частот не более 2:1.

При этих допущениях обеспечивается достаточно надежное подавление пиковых всплесков мощности (прежде всего на частотах < 15 МГц), часто возникающих в вечернее время. Рис. 1.3 помогает понять критерии помехоустойчивости приемников.

Коэффициент шума приемника FRX в общем случае нужно ориентировать на значения относительной мощности внешних шумов FЕХ для условий С (рис. 1.2). При FRX = FЕХ уровень шума RF на выходе приемника эффективно становится на 3 дБ выше, чем в отсутствие внешних шумов. Таким образом, значение FRX, выбранное из условия FRX = FЕХ-3 дБ, достаточно мало; следует, однако, обратить внимание на дополнительный вклад в FRX, возникающий в результате затухания в антенном фидере. Вообще говоря, поскольку ко всем принимаемым вблизи земной поверхности сигналам обычно добавляются тепловые шумы Земли, соответствующие температуре ТЕХ » 290 К (FЕХ к 3 дБ), требовать, чтобы значения FRX были меньше 3 дБ вряд ли целесообразно Исключением является космическая связь в относительно “малошумящей” области спектра на частотах > 200 МГц при оптимальной диаграмме направленности антенны в этом случае коэффициент шума приемника FRX в принципе должен соответствовав уровню галактических шумов G (рис. 1.2), а на практике нужно добиваться того, чтобы он был как можно меньшим. Здесь мы можем ожидать ТЕХ » 50 К (FЕХ » 0,7 дБ). На рис. 1.4 указана взаимосвязь параметров F и Т и приведена соответствующая кривая для малых значений этих величин.

Интервал, отделяющий точку IР3 от уровня мощности собственных шумов приемника RFRX должен быть как можно большим, так как он прямо или косвенно определяет два очень важных параметра, характеризующих качество приемника динамический диапазон по блокированию DB1 и динамический диапазон по интермодуляции DB3. Как видно из рис. 1.5, DB1 этo диапазон линейности динамической характеристики приемника, a DB3-диапазон “безинтермодуляционной” обработки энергетически-симметричного двухтонового (измерительного) сигнала; нижней границей обоих динамических диапазонов является RFRX. 

Динамический диапазон по интермодуляции более важен, поскольку он определяется тем уровнем мощности Ps3 неизбежно возникающих в приемнике собственных интермодуляционных помех третьего порядка, который совпадает с RFRX; при Ps3 = RFRX уровень помех (шумовых и интермодуляционных) возрастает на отдельных частотах на 3 дБ, приводя в результате к ухудшению на эти 3 дБ пороговой чувствительности приемника. Именно с пороговой чувствительностью связываются доводы в пользу выбора “соразмерного”, т.е. не слишком малого по сравнению с FЕХ значения FRX. Реализацию соразмерности этих величин следует всегда осуществлять с помощью ВЧ-аттенюатора, располагаемого сразу же за разъемом подключения антенны; он сдвигает оба динамических диапазона вверх на величину своего затухания, не изменяя их ширины, и, следовательно, в равной мере улучшает значения КР и IP. Эти взаимосвязи требуют тщательного специального анализа.

Относительно широкие динамические диапазоны достигаются в простых супергетеродинных приемниках. Каждое дополнительное преобразование частоты сигнала приводит к уменьшению КР и IP и одновременно к неизбежному сужению динамических диапазонов. Эта сторона вопроса также должна быть обстоятельно проанализирована.

Многократное преобразование частоты необходимо в трех случаях (которые могут возникать по отдельности или в комбинации друг с другом): во-первых, когда только таким способом можно обеспечить достаточную селективность (> 70 дБ) по зеркальному каналу и по каналу промежуточной частоты (ПЧ); во-вторых, когда оптимальное значение ПЧ (как и частота основного сигнала) попадает в полосу приема; и наконец, когда слишком высокое значение ПЧ не позволяет реализовать требуемую ширину полосы пропускания (по этой ПЧ). Экономически оправдана реализация относительной ширины полосы пропускания порядка 25... 3500 Гц/МГц, что, например, соответствует ширине полосы около 200... 35000 Гц на частоте 9 МГц; такие параметры могут обеспечить как кварцевые, так и монолитные фильтры.

С учетом изложенного можно сделать вывод, что приемники с рабочими частотами до 1 ГГц всегда (без исключений!) должны быть приемниками максимум с двойным преобразованием частоты (с минимальной шириной полосы пропускания по ПЧ около 1 кГц при каждом преобразовании). Заметим также, что обработка (детектором перемножительного типа) сигналов с частично или полностью подавленной несущей вносит в рассмотрение еще один смеситель.

При разработке схемы приемника усиление между разъемом подключения антенны и определяющими односигнальную избирательность приемника фильтрами основной селекции (селекции по соседнему каналу), т.е. усиление широкополосного тракта, следует устанавливать минимально возможным при требуемом значении коэффициента шума.

Итак, необходимо:    

а) максимально ограничивать усиление по ВЧ;

б) всегда использовать пассивный смеситель (т. е. смеситель с коэффициентом усиления < 1) для разгрузки следующих за ним каскадов;

в) применять малошумящий помехоустойчивый предусилитель ПЧ с диплексером на входе, отфильтровывающем одну из двух (fZ = fu + fh) ПЧ-компонент;

г) устанавливать фильтр основной селекции за этим предусилителем. Каждая лишняя “добавка” к усилению тракта неизбежно сказывается на помехоустойчивости приемника, т. е. на всех параметрах КР и IP и, следовательно, на обоих динамических диапазонах.

Отсюда, кроме всего прочего, следует, что значение параметра IPi3 для каждого каскада приемника должно примерно на 3 дБ превышать значение параметра 1Р03 для предыдущего каскада, поскольку только таким образом можно исключить взаимное влияние каскадов и возникающие вследствие этого всевозможные искажения сигналов. То же касается величин КРi и КР0, но здесь достаточно обеспечить перекрытие порядка 1 дБ. “Точкой отсчета” для такого способа сопряжения каскадов является входной узел наиболее слабого звена функциональной цепи-фильтра основной селекции; допустимые значения внутриполосной мощности (ПЧ) для этого фильтра, как правило, не превышают +10 дБм (“10 мВт), в то же время ясно, что внеполосная мощность может быть значительно выше. Кварцевые или монолитные фильтры за счет своей частотной избирательности эффективно увеличивают IPi3 до + (30... 50) дБм.

В заключение следует отметить, что широкополосный тракт для обеспечения качественной обработки сигнала всюду (вплоть до фильтров основной селекции) должен обладать высокой линейностью. Следовательно, все необходимые ограничители и любые другие нелинейные элементы нужно располагать за фильтрами ПЧ. Высокой линейностью должен также обладать блок гетеродина со смесителем.