Радиоприемные устройства
..pdfФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»
В.П. Пушкарёв
радиоприемные Устройства
Учебник
Призер II конкурса публикаций «Университетский учебник-2018»
Издание доступно в ЭБС IPR books и Библиокомплектатор
Ай Пи Ар Медиа Саратов • 2019
УДК 621.396 ББК 32.849 П91
Автор:
Пушкарёв В.П. — канд. техн. наук, доц. кафедры радиотехнических систем Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники
Рецензенты:
Стукач О.В. — д-р техн. наук, проф. кафедры компьютерных измерительных систем и метрологии Национального исследовательского Томского политехнического университета;
Авдоченко Б.И. — д-р. техн. наук, проф. кафедры радиоэлектроники и систем связи Томского государственного университета
систем управления и радиоэлектроники
Пушкарёв, В.П.
П91 Радиоприемные устройства : учебник / В.П. Пушкарёв. — Саратов : Ай Пи Ар Медиа, 2019. — 226 с.
ISBN 978-5-4497-0181-7
В учебнике представлены классификация и основы построения функциональных и структурных схем радиоприемных устройств с различными видами модуляций; физические принципы работы основных функциональных узлов; особенности обработки радиосигналов аналоговых и цифровых систем радиовещания, радиосвязи, радиолокации и позиционирования.
Подготовлен в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования, предъявляемыми к изучению дисциплины «Радиоприемные устройства».
Учебник предназначен для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавриата 11.03.01 «Радиотехника», 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника»; магистратуры 11.04.01 «Радиотехника», 11.04.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 09.04.01 «Информатика и вычислительная техника». Может быть полезен для студентов специальностей высшего образования 10.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы». Рекомендуется для самостоятельной подготовки студентов к практическим, лабораторным занятиям и курсовому проектированию.
Купить издание как у единственного поставщика:
в печатном виде: ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа»: 8-800-555-22-35 (бесплатный звонок по России), доб. 208, 214, 222 E-mail: izdat@iprmedia.ru, books@iprmedia.ru, n.bukalova@profobr.pro в электронном виде: Отдел продаж и внедрения ЭБС: 8-800-555-22-35 (бесплатный звонок по России), доб. 206, 213, 144, 145 E-mail: sales@iprmedia.ru
©Пушкарёв В.П., 2019
©ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа», 2019
ОглавлеНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................ |
7 |
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ...................... |
9 |
ГЛАВА 1. КРАТКИЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ................................................ |
14 |
Контрольные вопросы........................................................................................................................ |
17 |
ГЛАВА 2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАДИОПРИЕМНЫХ |
|
УСТРОЙСТВ...................................................................................................................................................... |
19 |
2.1. Обобщенная структурная схема радиоканала. |
|
Общие требования........................................................................................................................ |
19 |
2.2. Основные показатели технических характеристик....................................... |
20 |
2.3. Классификация и основные качественные показатели.............................. |
27 |
2.4. Частотные диапазоны систем радиовещания, |
|
радиосвязи и радиодоступа................................................................................................. |
29 |
2.4.1. Диапазоны частот звукового и телевизионного вещания....... |
29 |
2.4.2. Диапазоны любительской, служебной |
|
и гражданской связи.................................................................................................... |
31 |
2.4.3. Частотные диапазоны систем сотовой телефонии |
|
и радиодоступа 3-го, 4-го поколения, Wi-Fi и Bluetooth............ |
35 |
2.4.4. Частотные диапазоны космических систем радиосвязи, |
|
радиовещания, навигации и позицирования.......................................... |
38 |
2.5. Шумы и помехи радиоприему........................................................................................... |
39 |
2.6. Описание радиосигналов, эффективная ширина спектра |
|
сигналов систем радиовещания, радиосвязи и радиодоступа.............. |
45 |
2.6.1. Сигналы аналоговых систем радиовещания и радиосвязи...... |
45 |
2.6.2. Особенности формирования сигналов цифровых систем |
|
радиовещания и радиосвязи................................................................................. |
49 |
2.6.3. Особенности формирования сигнала цифрового эфирного |
|
телевизионного вещания......................................................................................... |
51 |
2.6.4. Особенности формирования сигналов телефонии GSM........... |
52 |
2.6.5. Особенности формирования сигналов цифровых систем |
|
управления радиодоступом................................................................................. |
53 |
-3- |
|
ОГЛАВЛЕНИЕ
2.6.6.Электромагнитная совместимость и нелинейные искажения, возникающие в линейном тракте
радиоприемника.............................................................................................................. |
55 |
Контрольные вопросы........................................................................................................................ |
57 |
ГЛАВА 3. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ЛИНЕЙНОГО ТРАКТА |
|
РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ............................................................................................ |
58 |
3.1. Обобщенная структурная схема радиоприемных устройств................ |
58 |
3.2. Радиоприемники детекторного типа и прямого усиления........................ |
59 |
3.3. Сверхрегенеративные радиоприемные устройства....................................... |
60 |
3.4. Супергетеродинные радиоприемные устройства............................................ |
61 |
3.5. Радиоприемные устройства прямого преобразования................................ |
64 |
3.6. Инфрадинные радиоприемные устройства........................................................... |
65 |
3.7. Приемо-передающие устройства радиотехнических систем............... |
66 |
Контрольные вопросы........................................................................................................................ |
67 |
ГЛАВА 4. ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ...... |
68 |
4.1. Входные цепи радиоприемных устройств.............................................................. |
68 |
4.1.1. Общие сведения, классификация и структура |
|
входной цепи....................................................................................................................... |
68 |
4.1.2. Антенны и эквиваленты антенн |
|
радиоприемных устройств................................................................................ |
69 |
4.1.3.Входные цепи диапазонных радиоприемных устройств при различных связях с ненастроенной антенной
и нагрузкой........................................................................................................................... |
80 |
4.1.4. Входная цепь с магнитной антенной........................................................ |
92 |
4.1.5. Входные цепи с настроенной антенной.................................................. |
94 |
4.1.6. Входные цепи с электронной перестройкой по частоте....... |
98 |
4.1.7. Шумовые свойства антенно-фидерной системы........................ |
100 |
4.2. Селективные усилители радиосигналов радиоприемников................ |
105 |
4.2.1. Общие сведения и структура селективных усилителей..... |
105 |
4.2.2. Усилители радиочастоты................................................................................ |
107 |
4.2.3. Усилители промежуточной частоты.................................................. |
110 |
4.2.4. Шумовые свойства усилителей радиочастоты........................... |
114 |
4.3. Преобразователи частоты радиоприемных устройств............................ |
116 |
4.3.1. Общие сведения о преобразовании частоты..................................... |
116 |
4.3.2. Анализ передаточных свойств |
|
преобразователя частоты............................................................................... |
119 |
4.3.3. Шумовые свойства преобразователей частоты.......................... |
121 |
-4- |
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
|
|
4.4. Детекторы радиоприемных устройств................................................................... |
123 |
4.4.1. Общие сведения и структура детекторов |
|
радиосигналов................................................................................................................. |
123 |
4.4.2. Детектор амплитудномодулированных сигналов.................... |
124 |
4.4.3. Детектор радиоимпульсных сигналов.................................................. |
129 |
4.4.4. Синхронный детектор......................................................................................... |
130 |
4.4.5. Корреляционный детектор............................................................................. |
131 |
4.4.6. Детектор частотно-модулированных сигналов........................ |
131 |
4.4.7. Фазовые детекторы радиосигналов.......................................................... |
134 |
Контрольные вопросы..................................................................................................................... |
135 |
ГЛАВА 5. РУЧНЫЕ И АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛИРОВКИ |
|
В РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВАХ........................................................................... |
137 |
5.1. Общие сведения о системах регулирования...................................................... |
137 |
5.2. Система автоматической регулировки усиления.......................................... |
139 |
5.3. Система автоматической подстройки частоты................................................ |
144 |
5.4. Система фазовой автоподстройки частоты........................................................ |
147 |
5.5. Оценка устойчивости автоматических регулировок |
|
в радиоприемных устройствах...................................................................................... |
150 |
Контрольные вопросы..................................................................................................................... |
151 |
ГЛАВА 6. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ |
|
РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ......................................................................................... |
152 |
6.1. Общие сведения по построению схем радиоприемников....................... |
152 |
6.2. Особенности построения радиоприемников АМ-сигналов |
|
систем звукового вещания................................................................................................. |
158 |
6.3. Особенности построения приемников УКВ ЧМ-сигналов |
|
систем монофонического радиовещания............................................................... |
159 |
6.4. Особенности построения радиоприемников ЧМ-сигналов |
|
систем стереофонического звукового вещания............................................... |
161 |
6.4.1. Особенности восприятия человеком объемного звука............. |
161 |
6.4.2. Требования к системе стереофонического вещания.................. |
163 |
6.4.3. Особенности построения структурных схем |
|
стереофонических радиоприемников УКВ ЧМ-сигналов...... |
164 |
6.4.4. Шумы и чувствительность стереофонических |
|
радиоприемных устройств............................................................................. |
167 |
6.5. Особенности построения телевизионного приемника............................... |
169 |
-5- |
|
ОГЛАВЛЕНИЕ
6.6. Особенности построения профессиональных приемников................... |
172 |
6.6.1. Классы радиоизлучений........................................................................................ |
172 |
6.6.2. Структурные схемы линейного тракта |
|
профессиональных радиоприемных устройств........................... |
176 |
6.6.3. Особенности построения приемников Си-Би диапазона..... |
178 |
6.6.4. Особенности построения радиоприемных устройств |
|
систем связи миллиметрового и оптического диапазонов.... |
182 |
6.6.5. Особенности построения................................................................................... |
185 |
6.6.6. Особенности построения радиолокационного приемника |
|
импульсных сигналов.............................................................................................. |
190 |
Контрольные вопросы..................................................................................................................... |
193 |
ГЛАВА 7. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ПРИЕМНИКОВ |
|
С ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ................................................................... |
194 |
7.1. Общие сведения ЦОС в радиоприемных устройствах.............................. |
194 |
7.2. Требования к элементам приемников цифровых сигналов.................. |
195 |
7.3. Основные элементы цифровых радиоприемных устройств................ |
198 |
7.3.1. Цифровые фильтры................................................................................................. |
198 |
7.3.2. Преобразователь Гильберта............................................................................ |
200 |
7.3.3. Цифровые преобразователи частоты.................................................... |
202 |
7.3.4. Цифровые генераторы........................................................................................... |
203 |
7.3.5. Цифровые детекторы сигналов.................................................................... |
203 |
7.4. Радиоприемные устройства с додетекторной ЦОС..................................... |
212 |
7.5. Радиоприемные устройства с последетекторной цифровой |
|
обработкой сигналов................................................................................................................ |
213 |
Контрольные вопросы..................................................................................................................... |
214 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................................... |
215 |
ГЛОССАРИЙ.................................................................................................................................................. |
216 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................................................................... |
219 |
-6-
ВВЕДЕНИЕ
Учебник предназначен для студентов радиотехнического и инфокоммуникационного направлений подготовки:
1) бакалавриата:
–11.03.01 «Радиотехника» (Радиотехнические средства передачи, приема и обработки сигналов);
–11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (Системы радиосвязи и радиодоступа. Системы мобильной связи);
2) магистратуры:
–09.04.01 «Информатика и вычислительная техника» (Автоматизация проектирования микро- и наноэлектронных устройств для радиотехнических систем);
–11.04.01 «Радиотехника» (Радиотехнические системы и комплексы);
–11.04.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (Радиоэлектронные системы передачи информации);
3) специалитета:
–10.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем»;
–11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы».
Учебник представляет интерес для студентов, обучающихся по очной, вечерне-заочной формам высшего образования, в том числе с применением технологии дистанционного обучения.
Современное радиоприемное устройство представляет собой сложную систему, характеризуемую большим числом взаимосвязанных параметров. Поэтому на всех стадиях его проектирования целесообразно использовать системный подход, заключающийся в применении определенной последовательности этапов анализа технических характеристик, выбор структуры радиоприемного устройства, с использованием методов синтеза и оптимизации. Это позволит получить оптимальное решение при заданных критериях качества.
В результате изучения основ построения радиоприемных устройств студент должен:
1) обладать: способностью реализации новых принципов построения радиотехнических и инфокоммуникационных систем и сетей различных типов передачи, распределения, обработки и хранения информации; готовностью учитывать при проведении исследований, проектировании, организации технологических процессов и эксплуатации радиотехнических и инфокоммуникационных систем, сетей
-7-
Введение
иустройств мировой опыт в вопросах технического регулирования, метрологического обеспечения и безопасности жизнедеятельности; готовностью использовать современные достижения науки и передовые радиотехнические и инфокоммуникационные технологии, методы проведения теоретических и экспериментальных исследований в на- учно-исследовательских работах в области инфокоммуникационных технологий и систем связи;
2)знать: принципы работы и особенности организации современных систем мобильной связи; способы оценки размеров зон обслуживания базовых станций; особенности частотного планирования, способы расчета электромагнитной совместимости и оценки трафика в кластере базовых станций; основные стандарты мобильной связи;
3)уметь: применять на практике методы анализа и расчета основных характеристик систем мобильной связи; на основе технических характеристик имеющейся аппаратуры разрабатывать и внедрять соответствующую техническому заданию структуру кластера системы мобильной связи с учетом экологической безопасности; проводить натурный эксперимент по измерению основных характеристик базовых
имобильных станций;
4)владеть: первичными навыками настройки и регулировки аппаратуры систем мобильной связи при производстве, установке и технической эксплуатации.
-8-
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
А — антенна АД — амплитудный детектор
АИФ — аналоговый интерполяционный фильтр АМ — амплитудная модуляция
АМ-ОБ — амплитудная модуляция с одной боковой полосой АПЧ — автоматическая подстройка частоты АРУ — автоматическая регулировка усиления АЦП — аналого-цифровое преобразование АЧХ — амплитудно-частотная характеристика АЭ — активный элемент БАРУ — быстродействующая АРУ
БШР — бесшумная регулировка ВАРУ — временная АРУ ВАХ — вольтамперная характеристика
ВД — временной дискриминатор ВИМ — временная импульсная модуляция ВУ — видеоусилитель
ВФХ — вольт-фарадная характеристика ВЦ — входная цепь Г — гетеродин
Гр. — громкоговоритель ГПД — генератор плавного диапазона
ГУН — генератор, управляемый напряжением ДАРУ — детектор системы АРУ ДБШ — диод с барьером Шотке ДВ — диапазон длинных волн ДГ — диод Ганна ДД — динамический диапазон
ДКПД — делитель с переменным коэффициентом деления ДМВ — диапазон дециметровых волн ДХ — детекторная характеристика ИД — импульсный детектор КВ — диапазон коротких волн
КВЧ — диапазон крайне высоких частот КСГ — косинусно-синусный генератор КСС — комплексный стереосигнал
-9-
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
КЦФД — квадратурный цифровой фазовый детектор ЛТПР — линейный тракт радиоприемного устройства
ЛУПЧ — логарифмический усилитель промежуточной частоты МАРУ — мгновенная АРУ МВ — диапазон метровых волн
ММ — диапазон миллиметровых волн НИ — нелинейные искажения
НРЦФ — нерекурсивный цифровой фильтр ОА — ограничитель амплитуды
ОПБ — модуляция несущей с одной боковой полосой ООС — отрицательная обратная связь ОФ — оптический фильтр П — приемник
ПГ — преобразование Гильберта ПМК — полярно-модулированное колебание
ППГ — приемно-преобразовательный блок ПТ — полевой транзистор РЛС — радиолокационная станция РУ — регулируемый усилитель
РЦФ — рекурсивный цифровой фильтр СВ — диапазон средних волн СВЧ — диапазон сверхвысоких частот
СДХ — статическая детекторная характеристика СМ — смеситель СММ — диапазон субмиллиметровых волн
СР — сверхрегенеративный радиоприемник СФД — синхронно-фазовый детектор СЦ — согласующая цепь УАРУ — усилитель системы АРУ
УВЧ — усилитель высокой частоты УГ — управляемый гетеродин УКВ — диапазон ультракоротких волн
УКСГ — управляемый косинусно-синусный генератор УМ — угловая модуляция УНЧ — усилитель низкой частоты
УПТ — усилитель постоянного тока УПЧ — усилитель промежуточной частоты УРЧ — усилитель радиочастоты УВХ — устройство выборки-хранения
-10-