Е последовательность импульсов при ШИМ

Импульсная модуляция.

Импульсной модуляцией называется модуляция амплитуды несущей периодической последовательностью видеоимпульсов, которая характеризуется длительностью импульсов τ _и, величиной U_max и частотой следования F=1/T _и. Пример такой последовательности показан на рис. 14.

Рис.14. Импульсная модуляция:

а последовательность немодулированных видеоимпульсов;

б отрезок модулирующего сигнала (тон);

в последовательность импульсов при АИМ;

г последовательность импульсов при ЧИМ;

д последовательность импульсов при ФИМ;

Характерно, что, если для манипуляции частота FM введена условно, в случае импульсной модуляции РИ отражает фактическое наличие импульса на интервале 7И, который отсчитывается между таковыми точками – серединами соседних немодулированных импульсов.

Изображённая на рис. 14. а последовательность прямоугольных импульсов нашла наибольшее применение для модуляции СВЧ- генераторов импульсных радиолокаторах, где длительность импульсов и частоту следования выбирают в пределах

τ_и= 0,1- 10мкс; F_и= 0,1- 100 кГц.

В радиосвязи последовательность импульсов (рис. 14. а) сначала модулируется информационным сигналом и только после этого используется для модуляции несущей.

На рис. 14. б показан отрезок гармонического модулирующего сигнала, а на рис. 14.в, г, д, е, приведены графики, иллюстрирующие различные виды модулирующих импульсов при импульсной модуляции.

При амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) изменяемым параметром является амплитуда импульсов (рис. 14. в).

При частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) изменяется частота следования (рис. 14. г), а при фазоимпульсной (ФИМ) – фазовый сдвиг импульса относительно таковой точки (рис. 14. д). И при ФИМ, и при ЧИМ импульсы могут быть смещены относительно таковых точек не более чем на половину периода Т_и.

При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) изменяется ширина импульсов. Возможно одностороннее и двустороннее расширение. На рис. 14. е изображён график,иллюстрирующий двустороннюю ШИМ.

Для всех видов импульсной модуляции должно выполняться условие F_и>2F_max.

Спектр последовательности прямоугольных импульсов (дискретный участок его) показан на рис. 15.а для случая Т_и = 5τ_и. После модуляции видеоимпульсов около каждой спектральной составляющей появляется спектр боковых частот, определяемый видом модуляции (рис. 15.б). Спектр радиоимпульсов (рис. 15. в) теоретически бесконечен, практически в радиотрактах его ограничивают значением Пf = 2/τ_и.

Импульсная модуляция применяется преимущественно в диапазоне УКВ, так как в большинстве случаев соответствующие ей радиосигналы занимают широкий спектр частот, который нельзя втиснуть даже на КВ.

Лучшей помехоустойчивостью отличается ФИМ, худшей — АИМ.

Импульсную модуляцию широко используют в многоканальной радиосвязи с временным уплотнением. Она организуется следующим образом. Каждый передаваемый сигнал модулирует свою последовательность импульсов. Затем последовательности в определенной очередности вводятся в общий тракт передатчика, так что между импульсами одного канала размещаются импульсы других каналов, не перекрываясь. На выходе приемника импульсы разделяются по своим каналам, где и выделяется переданная информация.

В передатчиках авиационных РТС находит применение и считается перспективной комбинированная модуляция.

Комбинированной модуляцией принято называть такую модуляцию, при которой по закону модулирующих сигналов изменяются не менее двух параметров несущей. В командных самолетных MB — ДМВ-радиостанциях, например, возможна комбинированная модуляция в варианте AM — ЧТ, в РЛС применяются внутриимпульсная ЧМ и внутриимпульсная ФМ.

Колебание, одновременно модулируемое по амплитуде и частоте (AM — ЧМ) гармоническими сигналами двух частот F₁, F₂, в соответствии с выражениями 4,а должно быть записано в таком виде:

u = Um(1- m sin 2pF₁ t) cos (w+Dw sin2pF₂ t)t (5)

Комбинированная модуляция может осуществляться одним и тем же модулирующим сигналом. Один из видов модуляции при: этом может оказаться сопутствующим, паразитным. Так, при ФМ наблюдается паразитная AM.

Рис. 15 Спектры сигналов при ИМ:

а – спектр последовательности видеоимпульсов; б – спектр последовательности модулированных видеоимпульсов; в – спектр радиоимпульсов

Радиоприемные устройства

Общие сведения. Прием и усиление сигналов высокой частоты

Назначение, классификация и основные характеристики
радиоприемных устройств

Радиоприемное устройство извлекает энергию радиосигнала из электромагнитного поля приходящих волн, преобразует колебания радиосигнала в, первичные электрические сигналы и воспроизводит сообщение в виде звука, изображения, записи и др. Это — обязательные функции любого приемного устройства, от самого простого до сложнейшего. По мере усложнения радиоприемной аппаратуры на нее возлагаются и другие функции, например усиление радиосигналов (высокой частоты), усиление сигналов первичной формы (звуковой частоты или видеоимпульсов), автоматическая регулировка усиления и др.

Познакомиться с функциями приемника удобно на примере простейшей схемы, которая сейчас почти не применяется, но «на заре радиолюбительства пользовалась большим успехом. Это так называемый детекторный приемник, предназначенный для приема AM радиотелефонных сигналов (рис. 1).

Рис.1. Схема детекторного приемника.

Приемная установка состоит из приемной антенны А с заземлением 3 и собственно приемника. Между А и 3 внутри приемника находится так называемое входное устройство, содержащее конденсатор переменной емкости С и катушку L. Эти элементы входят в цепь антенны и позволяют настроить эту цепь на частоту желательного радиосигнала, т. е., как говорят, на принимаемую станцию. Условием настройки является компенсация реактивного сопротивления антенны Х_а+ωL— 1/ωС = 0. Именно этот резонанс обеспечивает простейшему приемнику избирательность, т. е. возможность приема радиосигналов какой-либо одной радиостанции при подавлении сигналов от радиостанций, излучающих волны других частот.

Процесс извлечения энергии из электромагнитного поля осуществляется в антенной цепи. Приходящие радиоволны наводят в приемной антенне ЭДС, частота которой равна частоте радиосигнала. Это равноценно включению в цепь антенны генератора ЭДС. Наибольшую мощность этот генератор развивает при резонансе е цепи антенны, т. е. при отсутствии реактивного сопротивления. Так происходит преобразование энергии поля в энергию переменного тока высокой частоты. Сигналы на волнах другой длины наводят ЭДС с другими частотами, а потому для них в цепи антенны имеется не только активное, но и реактивное сопротивление, не позволяющее им развивать полную мощность тока высокой частоты. В этом — смысл избирательности приемника.

Энергия полезного радиосигнала должна быть преобразована в энергию сигнала первичной формы. Так, для радиосигнала с AM первичным сигналом является ток звуковой (модулирующей) частоты. Этот этап преобразования осуществляется в детекторной цепи. Детекторная цепь состоит из катушки L1, имеющей индуктивную связь М с катушкой цепи антенны, собственно детектора Д и потребителя первичного сигнала — телефона Тл, блокируемого параллельным, конденсатором С_б. Связь детекторной цепи с цепью антенны должна обеспечить передачу наибольшей возможной мощности радиосигнала детектору (рис. 2).

Детекторная цепь, связанная с антенной, является цепью апериодической. Ток антенной цепи наводит в катушке L1 ЭДС высокой частоты, для которой конденсатор С_б является практически коротким замыканием. Поэтому напряжение высокой частоты с зажимов катушки L1 оказывается приложенным полностью к детектору. Потребителем энергии тока звуковой частоты i₃, возникающего в цепи диода, служит телефон, преобразующий электрический сигнал в акустический.

Рис.2. Резонансные характеристики приемника.

Простейший приемник использует лишь принятую энергию, а собственных источников питания не имеет. Естественно, что при малой ЭДС, наводимой в антенне, нельзя извлечь мощность, достаточную для нормального звучания громкоговорителя. Нельзя ожидать от такого приемника и удовлетворительного подавления помех при наличии только одной резонансной цепи. Но даже на простейшем примере мы можем установить показатели, характеризующие качество приемника, и наметить пути совершенствования этих показателей.

Одним из основных показателей приемника, является его чувствительность, т. е. способность к приему слабых сигналов. Количественно чувствительность характеризуется той минимальной мощностью или минимальной ЭДС в антенне, которая еще обеспечивает возможность нормального воспроизведения сигнала. Чем меньше число, оценивающее чувствительность, тем выше сама чувствительность. Если простейший (детекторный) приемник (рис. 1) имеет чувствительность, характеризующуюся мощностью примерно в 10 мВт и амплитудой ЭДС не менее десятых долей вольта, то массовый радиовещательный приемник обладает чувствительностью примерно 50 мкВ. Современные профессиональные приемники специальных назначений достигают чувствительности, исчисляемой сотыми долями микровольта и триллионными долями милливатта.

Способ повышения чувствительности — включение в состав приемника «усилительных каскадов как по высокой частоте, т. е. до детектора, так и по низкой частоте, т. е. после детектора. Разумеется, следует стремиться к значению чувствительности, действительно необходимому для данного приемника, так как с увеличением числа усилительных каскадов возрастает угроза искажений сигнала и неустойчивости работы приемника. Вероятность подавления сигнала помехами внешнего и внутреннего происхождения тоже увеличивается по мере роста общего-усиления приемника. Обычно в ламповых радиовещательных приемниках среднего класса применяют 5—6 каскадов усиления по высокой и низкой частоте. В транзисторных приемниках, более экономичных по питанию, число усилительных каскадов может быть таким же или несколько большим.

Вторым показателем качества приемника служит его частотная избирательность, т. е. способность обеспечить нормальный прием на частоте полезного сигнала при подавлении сигналов радиостанций, работающих на других, хотя бы и близких частотах. Иначе говоря, избирательностью может характеризоваться защищенность приема от воздействия посторонних передатчиков; они оказываются наиболее вероятными источниками помех для радиовещательного приема на СВ и КВ.

Частотная избирательность достигается наличием резонансных контуров в каскадах приемника. Об избирательности приемника в целом можно приближенно судить по форме его резонансной характеристики, т. е. зависимости чувствительности от расстройки частоты воздействующего передатчика по отношению к частоте, на которую резонирует приемник. На рис. 2 представлены идеальная и примерная реальная резонансные характеристики; здесь по оси абсцисс отложены абсолютные значения расстройки (в килогерцах), а по оси ординат — отношения выходных напряжений нерезонансных сигналов U к напряжению резонансного сигнала U_o при равных ЭДС в антенне. Идеальной формой резонансной характеристики в смысле избирательности была бы прямоугольная форма: она обеспечила бы одинаковое прохождение через приемник всех колебаний в полосе спектра сигнала и полное подавление всех колебаний, частоты которых лежат вне этой полосы.

В действительности такую форму резонансной характеристики получить нельзя, но можно к ней приблизиться, применив в каскадах усиления радиосигналов резонансные колебательные системы. Избирательность приемника тем выше, чем ближе форма реальной его характеристики к идеальной. Следовательно, на радиочастотные каскады, помимо задачи усиления нужных сигналов, возлагается задача повышения избирательности.

Для простейшего приемника (см. рис. 1), в котором отсутствуют усилительные каскады, избирательность определяется только одной цепью антенны, а потому оказывается весьма плохой.

Когда при определении понятий «чувствительность» и «избирательность» говорят о «нормальном» эффекте на выходе приемника, то подразумевают нормальную для данного приемника выходную мощность. Если тип громкоговорителя задан, то можно говорить о нормальном напряжении на его зажимах. Допустимое значение выходной мощности радиовещательного приемника ограничено нелинейными искажениями, которые возникают при перегрузке выходного каскада.

Нормальное значение выходной мощности должно соответствовать размерам помещения и уровню внешних шумов, при которых работает приемник. При приеме на головной телефон необходима мощность, исчисляемая только милливаттами. Комнатные радиовещательные приемники имеют нормальную мощность на выходе от десятых долей ватта до нескольких ватт.

Очень важным показателем свойств и возможностей приемника является диапазон частот (волн), на которые он может быть настроен. Для радиовещательных приемников характерна разбивка общего диапазона на поддиапазоны. Переключение поддиапазонов осуществляется сменой катушек в контурах высокой частоты, а плавная настройка внутри поддиапазона выполняется блоком конденсаторов переменной емкости. Например, в простейшем приемнике (см. рис. 1) поддиапазон можно переключить сменой катушки L, вместе с которой сменяется и катушка связи L1. Нумерация поддиапазонов производится с возрастанием номера по мере увеличения частоты (укорочения волны).

Современные радиовещательные приемники имеют поддиапазоны ДВ (от 150 до 410 кГц), СВ (от 520 до 1600 кГц), KB (примерно от 4 до 12 МГц) и УКВ (примерно от 63 до 73 МГц), причем вместо непрерывного KB диапазона они имеют обычно несколько узких KB поддиапазонов с «растянутыми» шкалами для участков, наиболее насыщенных радиовещательными станциями.

Радиовещательный приемник оценивается также с точки зрения верности воспроизведения первичного сигнала (речи или музыки). Качество воспроизведения зависит в первую очередь от того, насколько равномерно усиливаются в приемнике колебания, которыми модулируется радиосигнал принимаемого передатчика. Причинами неравномерности прохождения спектра первичного сигнала в приемном тракте могут быть каскады усиления высокой (промежуточной) частоты и каскады усиления низкой частоты. Если полоса пропускания каскадов резонансного (полосового) усиления выбрана слишком узкой, то в этих каскадах недостаточно усиливаются колебания боковых частот, созданные модулирующими звуковыми колебаниями верхних частот. Если частотная характеристика каскадов низкой частоты - будет слишком неравномерной, то недостаточно усиливаться могут колебания как верхних, так и нижних звуковых частот.

Для оценки верности воспроизведения первичного сигнала служит общая частотная характеристика приемника, которая представляет собой зависимость амплитуды напряжения на выходе (на громкоговорителе) от частоты модуляции (при неизменной амплитуде ЭДС высокой частоты в антенне и постоянной глубине модуляции). Пример общей частотной характеристики приводится на рис. 3. При разработке приемника допустимая неравномерность этой характеристики задается так же, как для характеристики усилителей низкой частоты.

Рис. 3. Общая частотная характеристика приемника.

Приемники могут классифицироваться по нескольким признакам. По принципу построения схемы их можно разделить на приемники прямого усиления и супергетеродинные (супергетеродины).

В приемнике прямого усиления частота принимаемого радиосигнала преобразуется в частоту первичного сигнала путем детектирования. Следовательно, структурная схема такого приемника (рис. 4) содержит присоединяемые к антенне входные цепи ВЦ, усилительные каскады высокой частоты УВЧ, детекторный каскад Д и каскады усиления низкой частоты УНЧ, заканчивающиеся выходным каскадом ВК. Перестройке подвергаются входные цепи и усилительные каскады высокой частоты (точнее, колебательные контуры, входящие в эти блоки), причем настройка является сопряженной — с помощью единого блока конденсаторов переменной емкости.

Рис.4. Структурная схема приемника прямого усиления.

Приемник прямого усиления сходен по физическим процессам с простейшим приемником, отличаясь лишь добавленными к последнему каскадами усиления в двух частотных областях. Недостатки, двойственные простейшему приемнику, не устраняются в полной мере и в приемнике прямого усиления. Так, например, полоса пропускания его в диапазоне KB всегда шире требуемой для радиотелефонии. В настоящее время приемники прямого усиления промышленностью не выпускаются; радиолюбители иногда собирают приемники прямого усиления на транзисторах.

В супергетеродине осуществляется, по меньшей мере, двукратное преобразование частоты. Частота принимаемого радиосигнала преобразуется в постоянную для данного приемника промежуточную частоту, а эта последняя в процессе детектирования преобразуется в звуковую частоту первичного сигнала. В соответствии с этим структурная схема супергетеродина (рис. 5) содержит входные цепи ВЦ, усилительные каскады высокой частоты УРЧ, преобразователь частоты ПЧ, усилительные каскады промежуточной частоты УПЧ, детектор и усилитель низкой частоты УНЧ. Перестройке подвергаются - входные цепи, усилитель высокой частоты и гетеродин преобразователя частоты, причем настройка также должна быть сопряженной. Появившееся на заре ламповой радиотехники название «супергетеродин» должно было отразить тот факт, что в результате первого преобразования частота получалась не звуковой, а сверхзвуковой (суперзвуковой, т. е. радиочастотой).

Постоянная настройка каскадов усиления промежуточной частоты дает возможность применять в них совершенные фильтры, обеспечивающие высокую избирательность. Кроме того, усиление в трех различных областях частот позволяет достигнуть высокой чувствительности без угрозы самовозбуждения приемника. Эти свойства сделали супергетеродин, в сущности, основным типом схемы, находящим реализацию в промышленности. В супергетеродинах профессионального типа могут применяться два и даже три каскада преобразования частоты, но в радиовещательных приемниках структурная схема обычно соответствует рис. 5. Для того чтобы настройка приемника на волну принимаемой станции была одноручечной, конденсаторы переменной емкости входной цепи, УРЧ и гетеродина объединяются в блок. При сопряжении контуров входная цепь и УРЧ настраиваются на несущую частоту f₀, а гетеродин — на частоту f_г = f_о±f_пр Зависимость частоты f_г от угла поворота ротора конденсатора делается такой,

Рис. 5. Функциональная схема супергетеродинного приемника.

что промежуточная частота получается одной и той же для сигналов с разными f₀. Поэтому при настройке приемника на выбранную станцию не нужно перестраивать контуры промежуточной частоты. Это позволяет выполнить УПЧ многоконтурным и многокаскадным и тем самым совместить высокие избирательность и чувствительность и обеспечить нужную полосу пропускания. Чувствительность приемников прямого усиления ниже, так как в них усиление до детектора происходит только в УРЧ, который самовозбуждается легче, чем УПЧ (несущая частота, как правило, выше промежуточной). Приемники прямого усиления имеют также меньшую избирательность из-за трудности сопряжения большого числа перестраиваемых контуров.

По типу активных приборов приемники могут быть ламповые и транзисторные. До последнего времени считалось, что ламповый приемник может достигнуть более высоких показателей, нежели транзисторный. Однако развитие техники полупроводниковых приборов опровергает такое представление. Вместе с тем транзисторная аппаратура экономична по питанию и миниатюрна.

Селекция радиосигналов.
Входные цепи и усилители высокой частоты

Входной цепью называют электрическую цепь, связывающую антенну с входом первого каскада радиоприемника. Входная цепь предназначена для осуществления предварительной частотной избирательности и наилучшей передачи энергии принятого радиосигнала из антенны на вход первого каскада радиоприемника. Входная цепь представляет собой колебательную систему, связанную с антенной и первым каскадом приемника элементами связи 1 и 3 (рис. 6).

Принцип действия входной цепи состоит в следующем. Радиосигнал вместе с помехами от антенны через элемент связи 1 поступает на колебательный контур 2. Так как колебательный контур настраивается на частоту принимаемого сигнала, то он осуществляет частотную избирательность, т. е. выделяет сигнал из помех. Затем радиосигнал через элемент связи 3 подается на вход первого каскада. Элемент связи 1 осуществляет согласование антенны с входом приемника, а элемент связи 3 — согласование резонансного сопротивления контура с входным сопротивлением первого каскада приемника. Таким образом, входное устройство выполняет роль согласующего трансформатора сопротивления антенны и входного сопротивления первого каскада. При согласовании этих сопротивлений на вход первого каскада поступает наибольшая мощность принятого сигнала.

Кроме того, элементы связи 1 и 3 ослабляют влияние антенны и входного сопротивления первого каскада на настройку и добротность колебательного контура, а следовательно, и на избирательные свойства входной цепи.

Рис.6. Структурная схема входной цепи радиоприемника.

Входные цепи классифицируют по двум основным признакам: по числу колебательных контуров и по виду связи с антенной.

Наиболее часто входная цепь содержит один колебательный контур. Двухконтурные и многоконтурные цепи применяют в случае необходимости обеспечения высокой избирательности.

По виду связи с антенной различают входные цепи со следующими связями: индуктивной (рис. 7.б), емкостной (рис. 7.в), комбинированной (рис. 7.г) и непосредственной (рис. 7.а).

Наиболее простая схема получается при непосредственном подключении антенны к входной цепи. Но из-за сильного влияния антенны на входную цепь она применяется редко.

В некоторых случаях во входную цепь включают дополнительные фильтры, предназначенные для ослабления помех на промежуточной частоте (рис. 8).

Рис.7. Схемы связи входной цепи с антенной:

а) – непосредственная; б) – индуктивная; в) – емкостная; г) - комбинированная.

Основные характеристики входных цепей. Входные цепи характеризуются следующими основными параметрами: коэффициентом передачи напряжения или мощности, коэффициентом избирательности, коэффициентом перекрытия диапазона, шириной полосы пропускания. Эти коэффициенты не являются постоянными и характеризуются коэффициентами непостоянства.

Коэффициентом передачи по напряжению называют отношение напряжения сигнала на входе первого каскада приемника U_BX1 к ЭДС сигнала в антенне Е_А: K_o=U_Bx1/Ea. Коэффициентом передачи по мощности называют отношение мощности сигнала на входе первого каскада Р_вх к мощности сигнала в антенне К_р= Р_вх/Ра. Поскольку входная цепь является резонансной системой, то напряжение на ее выходе, являющееся входным для первого каскада, зависит от частоты ее настройки.

Рис.8. Схемы включения фильтров во входную цепь:

а) – последовательная; б) - параллельная

При настройке входной цепи в резонанс на частоту принимаемого сигнала коэффициент передачи по напряжению К_о будет максимальным и называется резонансным. Коэффициент передачи по напряжению или мощности должен быть по возможности больше, так как при этом напряжение на входе первого каскада U_BX1 будет больше при одном и том же напряжении в антенне Е_A, что повышает чувствительность приемника.

Коэффициент избирательности показывает, во сколько раз коэффициент передачи К_о на резонансной частоте f_o входной цепи больше его значения на любой другой частоте f при расстройке ∆f=f_o—f. Он должен быть не менее заданного. Так как избирательность входной цепи определяется формой ее резонансной характеристики, то для получения хорошей избирательности нужно применять контуры с соответствующей добротностью.

В приемниках прямого усиления входная цепь осуществляет избирательность по соседнему каналу яри частотной расстройке ∆f = 9 кГц, в супергетеродинных приемниках — по зеркальному каналу при ∆f — 2f_пp и на частоте, равной промежуточной. Перекрытие заданного диапазона частот входной цепью характеризуется коэффициентом перекрытия диапазона, который представляет собой отношение максимальной частоты настройки f_{o макс} к минимальной f_oмин: К_д=f_oмакс>f_oмин. Входная цепь должна обеспечивать настройку на любую частоту заданного диапазона при сохранении показателей качества в допустимых пределах.

Полоса пропускания входной цепи — это полоса частот, в пределах которой изменение коэффициента передачи по напряжению К_о не превышает заданного значения. Обычно полосу пропускания определяют на уровне 0,7 от максимального значения коэффициента передачи по напряжению К_о.

Дата добавления: 2014-12-07