7.2 Радиоприемные устройства

Под радиоприемным устройством (РПмУ) понимается комплекс технических средств, предназначенных для выделения радиосигналов с определенными свойствами из множества электромагнитных колебаний, присутствующих в месте приема. Мощность полезного сигнала может составлять ничтожную долю от суммарной мощности электромагнитных колебаний в месте приема. РПмУ предназначено для выделения полезного радиосигнала из смеси принятых сигналов и восстановления передаваемого сообщения.

Основные характеристики РПмУ во многом определяются структурой его построения. В настоящее время используется несколько принципов построения РпмУ. Рассмотрим две наиболее часто встречающиеся технологии приема радиосигналов.

Схема приемника прямого усиления приведена на рисунке 7.6. На вход приемника поступает вся совокупность сигналов, наведенных в антенне в месте приема. Наряду с полезными сигналами в приемной антенне наводятся электромагнитные колебания других радиостанций и иных источников радиоизлучения.

Рис. 7.6 Структурная схема приемника прямого усиления

Усилитель радиочастот из смеси наведенных в антенне сигналов выбирает и усиливает только те колебания, частота которых соответствует несущей частоте полезного сигнала. Затем выделенный и усиленный до необходимого уровня полезный радиосигнал поступает на демодулятор. Демодулятор выполняет операции, обратные операциям модуляции в передатчике, в итоге на выходе демодулятора формируется сигнал, соответствующий передаваемому сообщению. В большинстве случаев этот сигнал слаб и поэтому усиливается до необходимой величины в усилителе низких частот. Нагрузкой усилителя низких частот является преобразователь сигнала в сообщения. При передаче речи в качестве преобразователей сигнала в сообщение используют, например, громкоговорители, головные телефоны и т.д.

Такая структура приемного устройства называется схемой прямого усиления, потому что принимаемый сигнал усиливается без дополнительных преобразований, на той же самой частоте, на которой он был излучен. При усилении слабых сигналов схема усилителя радиочастот усложняется, становится многокаскадной. Схема приемника очень проста, но с ростом частоты принимаемого сигнала становится все труднее обеспечить хорошую избирательность и чувствительность принимаемых сигналов, особенно при перестройке несущей частоты.

Более универсальной является техника приема с преобразованием частоты принимаемых сигналов. Обобщенная структурная схема супергетеродинного приемника приведена на рисунке 7.7.

Рис. 7.7 Структурная схема супергетеродинного приемника

Отличительной особенностью супергетеродинного приема является преобразование (перенос) спектра принимаемого сигнала из области несущей частоты в область промежуточной частоты с помощью местного маломощного генератора (гетеродина). Достоинством такой технологии приема является то, что при изменении несущей частоты принимаемого сигнала нет необходимости изменять параметры настройки многокаскадного усилителя радиочастот, достаточно изменить частоту гетеродина. Технически это гораздо проще, чем добиваться одинакового изменения параметров в каскадах со сложными характеристиками. В конечном итоге это дает возможность строить приемники радиосигналов с хорошими показателями чувствительности и избирательности, так как основное усиление сигнала осуществляется в постоянном диапазоне частот.

Супергетеродинный приемник работает следующим образом. На вход усилителя радиочастот (УРЧ) поступает вся совокупность сигналов и помех, наведенных в антенне в месте приема. Усилитель радиочастот выполняет предварительную селекцию (отбор) сигналов с частотой, равной частоте полезного (принимаемого) сигнала. Усиление сигналов в УРЧ обычно невелико (в простейших приемниках на радиочастоте совсем нет усиления).

Основное усиление сигнал получает в усилителе промежуточной частоты (УПЧ), на вход которого поступают продукты преобразования, получаемые в преобразователе частоты при смешивании принимаемого сигнала с выхода УРЧ и колебаний гетеродина. Преобразователем частоты называют устройство, с помощью которого переносится спектр принимаемого сигнала, расположенный в районе частоты несущего колебания, называемый радиочастотой, в область несущих колебаний с другим значением частоты, называемой промежуточной частотой. Если преобразование сигнала выполнено без искажений, то спектр принимаемого сигнала переместится параллельно по оси частот, на величину, равную частоте гетеродина, а значение промежуточной частоты f_ПЧ будет равно

f_ПЧ = |f_С - f_Г|,    (7.1)

где f_С и f_Г - частоты, соответственно, сигнала и гетеродина.

При таком преобразовании частоты сохраняется вся информация, заложенная в параметрах модуляции несущего колебания принимаемого сигнала (отличается только само значение несущей частоты). Спектры принимаемого сигнала, гетеродина и сигнала промежуточной частоты приведены на рисунке 7.8.

Рис. 7.8 Спектры сигналов при супергетеродинном приеме

В супергетеродинном приемнике при смене несущей частоты принимаемого сигнала не нужно делать перестраиваемых по частоте цепей УПЧ, так как усиление сигнала в УПЧ выполняется в постоянном диапазоне частот. При изменении частоты принимаемого сигнала достаточно изменить частоту гетеродина так, чтобы выполнялось соотношение (7.1). С одной стороны, это упрощает построение приемника в целом, с другой стороны, позволяет улучшить характеристики приема сигналов: избирательность и чувствительность. Следует отметить, что эти преимущества возрастают с увеличением частоты принимаемого сигнала.

Последующие узлы приемника: демодулятор, усилитель низких частот, нагрузка выполняют те же операции, что и подобные каскады приемника прямого усиления.

Основным недостатком супергетеродинного приемника является возможность приема сигналов с другой несущей частотой (так называемые паразитные каналы приема). Соотношение (7.1) выполняется как при f'_С = f_Г + f_ПЧ, так и при f"_С = f_Г - f_ПЧ. Это означает, что приемник может принимать одновременно сигналы двух станций, как с частотой f'_С, так и с частотой f"_С. Один из этих сигналов соответствует основному каналу приема и является полезным сигналом, второй канал приема называют зеркальным каналом. Сигнал зеркального канала является помехой основному каналу приема, и принимаются меры для уменьшения влияния зеркального канала. Для этого во входных цепях приемника (до преобразователя частоты) обеспечивают разные условия прохождения сигналов с частотами f'_С и f"_С (стараются выделить полезный сигнал и, наоборот, подавить зеркальный канал). Частоты этих сигналов отличаются на довольно большую величину (равную удвоенной промежуточной частоте 2f_ПЧ), поэтому требования к УРЧ в супергетеродинном приемнике не такие жесткие, как в приемнике прямого усиления.

Радиоприемные устройства можно классифицировать:

Основными характеристиками радиоприемных устройств являются чувствительность, избирательность, помехоустойчивость.

Избирательностью (селективностью) называют свойство приемного устройства, позволяющее отличать по определенным признакам полезный радиосигнал от радиопомех. Другими словами, избирательность - это способность радиоприемного устройства выделять нужный сигнал от множества электромагнитных колебаний, наведенных в приемной антенне, ослабляя все остальные мешающие сигналы.

Сигналы можно избирать по различным признакам. Пространственная избирательность связана с направлением прихода радиосигналов и обеспечивается характеристиками направленности приемных антенн. Частотная избирательность характеризует способность радиоприемного устройства выделять из совокупности сигналов и помех, действующих на входе, сигнал, соответствующий частоте настройки радиоприемника.

Чувствительность приемника отражает способность радиоприемного устройства принимать слабые радиосигналы. Проблема усиления слабых сигналов заключается в том, что в приемнике усиливается не только полезный сигнал, но и помехи. Причем, из-за неидеальности характеристик элементов приемника с ростом коэффициента усиления помехи усиливается в большей степени, чем полезный сигнал. Качество сигнала на выходе приемника оценивается отношением мощности сигнала к мощности шума (так называемое отношение сигнал/шум) на выходе приемника. В этих условиях чувствительность приемника определяется как минимальное значение ЭДС сигнала на входе приемного устройства, при котором отношение сигнал/шум на выходе устройства не превышают допустимых значений.

Под помехоустойчивостью понимается способность приемного устройства функционировать с требуемыми характеристиками качества приема в условиях помех.