книги / Радиоприемные устройства.-1

ПРЕДИСЛОВИЕ

Принципы радиоприема нашли широкое применение в различных системах передачи информации, а радиоприемные устройства в настоящее время явля­ ются одними из наиболее распространенных и широко известных радиотехни­ ческих устройств. Первое радиоприемное устройство было создано на заре раз­ вития радиотехники. Именно с его помощью была впервые показана практиче­ ская возможность передачи сообщения на расстояния с помощью радиоволн.

В течение более чем 90 лет со дня изобретения радио теория и техника ра­ диоприема постоянно развивались и совершенствовались. В мире создана мощ­ ная индустрия крупносерийного производства радиоприемной аппаратуры раз­ личного назначения; в ее разработке и создании участвует большое количест­ во радиоспециалистов. Поэтому радиоинженер должен обладать глубокими и прочными знаниями, уметь использовать их в своей практической работе.

Авторы ставят своей задачей такое изложение материала, чтобы он мог быть самостоятельно использован читателями в их дальнейшей деятельности по творческому развитию актуальнейшей области современной радиотехники. Поэтому большое внимание уделялось методам и подходам к системному изу­ чению общих вопросов теории и техники радиоприема.

По сравнению с пособиями, выпущенными ранее, в данной "книге большое внимание уделено изложению обобщенных методов анализа, а также вопросам комплексной микроминиатюризации радиоприемных устройств, оптимизации их характеристик, автоматизации работы, адаптации к электромагнитной об­ становке, микропроцессорной обработки информации и управления, цифро­ вой обработки сигналов, работы радиоприемника в условиях большого дина­ мического диапазона входных воздействий. В пособии отражены также перс­ пективные пути и тенденции развития техники радиоприема.

В процессе изучения курса студенты последовательно знакомятся с общи­ ми принципами работы радиоприемников, основными физическими процесса­ ми в них, изучают основные функциональные узлы, особенности системотех­ нических и схемотехнических решений, пути и тенденции развития теории и техники радиоприема. При изложении материала широко используются сведе­ ния, изучаемые в других курсах.

Авторы выражают признательность рецензентам - кафедре радиоприем­ ных устройств Московского энергетического института (заведующий кафед­ рой доктор технических наук, профессор Д.В. Васильев) и доктору техниче­ ских наук, профессору, заведующему кафедрой основ радиотехники.Севасто­ польского приборостроительного института И.К.Бондаренко за ценные замеча­ ния, которые способствовали улучшению учебного пособия.

Все отзывы и пожелания просим направлять по адресу: 220048, Минск, проспект Машерова, 11, издательство ’’Вышэйшая школа”.

пяться и т. д. В результате энергия радиоволны в месте приема оказывается значительно меньше, чем вблизи передающей антенны. С помощью приемной антенны А2 происходит обратное преобразование энергии электромагнитного поля высокой частоты в энергию электрического колебания. В результате в це­ пи антенны А2 создается ЭДС радиосигнала, являющегося источником входно­ го воздействия для РГГУ.

Радиоприем сопровождается действием на радиоканал различных радиопо­ мех, а также искажением сигнала. Радиопомехи и искажения сигнала могут привести к недопустимым искажениям в передаваемом сообщении. Поэтому при изучении данного курса ’Радиоприемные устройства” этим процессам должно быть уделено большое внимание.

Под помехами понимают все действующие на РПУ колебания, которые ме­ шают приему полезного сообщения и приводят к его искажению.Радиопоме­ хи могут возникать вне РПУ, т. е. в среде распространения радиоволн (так на­ зываемые внешние помехи приему) и внутри него (внутренние помехи при­ ему). Совокупность всех помех определяет электромагнитную обстановку (ЭМО) в месте приема.

Искажения сигнала возможны вне РПУ и внутри него. Искажения вне РПУ связаны прежде всего с некоторыми физическими процессами, сопровождаю­ щими распространение радиоволн: многолучевостью, дисперсией и др. Искаже­ ния внутри РПУ обусловлены неидеальностью его характеристик, т.е. отличи­ ем характеристик РПУ от тех, которые не приводят к искажениям передавае­ мого сообщения.

Структурная схема радиоканала (см. рис. В.1) является общей не только для передачи и приема искусственных радиосигналов, созданных с помощью радиопередатчика, но и для случая источников естественных радиоизлучений, например, находящихся во Вселенной. Такие радиоизлучения представляют большой интерес при исследовании физических процессов в радиоастрономии. Их изучение проводится с помощью радиотелескопов, использующих РПУ сла­ бых сигналов.

На основании изложенного можно выделить три составные части любого РПУ: 1) приемную антенну; 2) собственно РПУ, или радиоприемник, в кото­ ром осуществляются необходимые преобразования сигнала, используемого для передачи соответствующего сообщения; 3) выходное (оконечное) уст- ройство (ОУ), в котором происходит преобразование сигнала в сообщение или обработка сигнала с целью его дальнейшего использования. Это устройст­ во может входить в состав РПУ или быть автономным.

Наибольшее внимание в курсе будет уделено собственно РПУ. Что касает­ ся дополнительной обработки информации, которая может осуществляться после РПУ, то она рассматривается в основном в других вузовских курсах (например, в курсе ”Радиотехнические системы” и т.д.).

Заметим, что современные РПУ работают в весьма широком частотном диапазоне, используемом в радиотехнике для передачи информации от сверх­ длинных волн (длина волны — многие километры) до субмиллиметровых (длина волны —доли миллиметра). В последнее время для передачи информа­ ции применяют также волны оптического диапазона.

Радиосигнал, несущий полезную информацию, как правило, на входе РПУ не является единственным и доминирующим по уровню мощности. Этот сиг­ нал обычно мал и содержится в смеси с помехами, создаваемыми другими од­ новременно работающими радиопередатчиками, а также источниками различ­ ных излучений. Передаваемое сообщение соответствует модулирующему ко­ лебанию и в явном ваде во входном радиосигнале не содержится. Поэтому в РПУ необходимо осуществить: 1) выделение полезного сигнала из смеси его с помехами; 2) выделение модулирующей функции; 3) различные преобразо­ вания полезного сигнала с целью достижения возможности и удобства его ис­ пользования. Таким образом, РПУ в общем случае выполняет ряд функций. Рассмотрим их.

Функция избирательности (селективности) — это функция выделения по­ лезного сигнала из смеси "сигнал + помеха” (С +/7), в соответствии с некото­ рым различием их физических свойств и характеристик, а именно: 1) частот­ ным, когда спектр полезного сигнала смещен (разнесен) по частоте относи­ тельно спектров сигналов других радиостанций и прочих помех; такое смеще­ ние обычно является неполным, так как всегда существуют помехи, которые действуют в полосе частот, занимаемой спектром полезного сигнала; 2) про­ странственным, когда полезный сигнал принимается приемной антенной наи­ лучшим образом с одного направления прихода радиоволны; 3) поляризаци­ онным, когда полезный сигнал имеет поляризацию радиоволны, отличную от поляризации радиоволн помех; 4) временным, когда РПУ работает лишь некоторое определенное время, соответствующее ожидаемому появлению по­ лезного сигнала; 5) амплитудным, когда уровень принимаемого сигнала нахо­ дится в некоторых заданных пределах; 6) прочим другим, когда, например, сигнал имеет отличную от помехи форму, структуру и тд.

Частотный критерий различия сигналов в РПУ был предложен в первые го­ ды развития радиотехники, однако до настоящего времени он находит широ­ кое применение. Для реализации частотного критерия различия сигналов в РПУ используются эффекты, свойством которых является различие откликов избирательной цепи на частоту входного воздействия. К ним относятся преж­ де всего разнообразные проявления резонанса.

Настройка резонансной системы в РПУ (например, колебательного конту­ ра на частоту полезного сигнала) обеспечивает его предпочтительное пропуска­ ние и относительное подавление колебаний различных помех. Для выполне­ ния функции избирательности широкое применение находят также парамет­ рические устройства для выделения сигнала и подавления помех в зависимо­ сти от частоты управления параметрами цепи, активные фильтры и др.

Функция демодуляции (детектирования) — это функция РПУ, обратная модуляции в радиопередатчике. Она направлена на выделение модулирующего колебания из колебания радиосигнала высокой частоты, используемого в ра­ диосистеме для передачи полезной информации. В современных РПУ функция демодуляции может быть усложнена, в частности она может совмещаться с функцией выделения отдельных сообщений из многоканального сигнала.

Функция усиления полезного сигнала обусловлена тем, что его уровень на входе РПУ, как правило, недостаточен для нормальной работы ОУ. Поэтому

Рис. В.2

сигналы приходится усиливать (в 104—106 раз и более). Вследствие этого в тракт РПУ необходимо вводить эффективные усилительные устройства как для радиосигналов (до высокой частоте), так и для сигналов модуляции (по модулирующей, более низкой частоте).

Функция частотного преобразования радиосигнала предполагает преобра­ зование области частот принимаемых сигналов в некоторую другую, заранее выбранную частотную область, где обеспечиваются наилучшие условия их об­ работки (усиление простыми и доступными методами, избирательность с тре­ буемыми характеристиками и тд .). Эта функция осуществляется в частотно­ преобразовательных устройствах.

В современных РПУ возможно также преобразование вида сигнала, например переход от аналогового сигнала к цифровому. Это облегчает обра­ ботку полезной информации, подавление помех и повышает качество приема.

Функция адаптации (приспособления) к изменяющейся ЭМО предполага­ ет изменение параметров РПУ с целью обеспечения заданного или максимально возможного в данных условиях приема качества работы РПУ. Необходимость

вадаптации связана с изменением характеристик как полезного сигнала, так и помех. Поэтому даже простейшее РПУ должно адаптироваться к хаотическому или упорядоченному изменению уровня входного сигнала из-за его замираний

впроцессе распространения в ионосфере, перестройки РПУ с одного канала приема на другой, где уровни сигналов могут отличаться, изменения расстоя­ ния между источником и потребителем передаваемого сообщения в подвиж­ ных системах и т.д. Во всех этих случаях целесообразно обеспечить практиче­ ски неизменный выходной уровень РПУ в процессе существенного изменения входного сигнала, что достигается адаптивной регулировкой усиления.

Обобщенная структурная схема, отражающая основные функции РПУ, приведена на рис. В.2. Она содержит: 1) тракт радиочастоты (ТРЧ), где осуще­ ствляются функции избирательности, усиления радиосигнала и преобразова­ ния его частоты: 2) тракт модулирующей (низкой) частоты (ТМЧ); 3) детек­ тор (Д ); 4) тракт адаптации, управления и контроля за работой РПУ (ТАУК); здесь осуществляется сбор и накапливание требуемой информации о парамет­ рах сигнала и помех, определяются требуемые значения параметров РПУ и от-

дельных звеньев, выполняется управление этими параметрами, осуществляет­ ся контроль заработойРПУ; 5) блок питания (БП ); 6) оконечное устройство.

Структура, приведенная на рис. В.2, является наиболее обшей. Поэтому ряд функциональных связей в ней для конкретных РПУ может отсутствовать. Так, например, может не быть связей ОУ с устройством адаптации, что,естест­ венно, снижает качество работы РПУ, так как исключает ’’обратную связь'’ по окончательному полезному результату работы РПУ, может отсутствовать контроль параметров ЭМО и т. д. Однако наиболее полно возможность радио­ приема реализуется при использовании всех функций структуры (см. рис.В.2).

На практике применяется также прием многоканальных сообщений, когда в одном радиосигнале содержится информация об п сообщениях. Отличитель­ ной особенностью такого многоканального РПУ (рис. В.З) является наличие дополнительного тракта разделения каналов (ТРК), после чего каждый г-й канал использует свое оконечное устройство (ОУ^).

Отметим, что наиболее эффективные алгоритмы управления РПУ основа­ ны на применении не одиночных приемных устройств, а радиоприемных сис­ тем (РПС), содержащих несколько РПУ и использующих адаптивные алгорит­ мы. Каждый из РПУ в РПС работает в разных условиях приема одной и той же информации (например, на различных частотах, со своей приемной антенной т.д.). Это позволяет выделить сигнал, соответствующий наилучшим условиям приема сообщения, или осуществить обработку всех принятых сигналов. На рис. В.4 приведена укрупненная структурная схема РПС. Она содержит т ра­ диоприемников, устройства распределения сигналов соответственно на входе и выходе РПУ (УРК1 и УРК2). В распределителях, согласно алгоритмам функционирования РПС, осуществляется операция над соответствующими еь. налами. Один из возможных алгоритмов РПС (см. рис. В.4) основан автоматическом выборе наиболее сильного сигнала, принимаемого в дакну момент времени на 5-ю антенну или занимающего /-й частотный какал. Таким об­ разом, в каждый момент времени с ОУ работает лишь одно РПУ. а естальн-. отключены, что предотвращает попадание в ОУ дополнительных помех и обе,, печивает уверенный прием передаваемого сообщения.

Радиоприемные устройства различаются по следующим принципам класси­ фикации:

1) области применения: для звукового радиовещания, телевидения, ра­ диосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоизмерений, радиоастрономии и т.д. Каждой области приложения радиотехники соответствует своя радиосис­ тема и входящее в ее состав РПУ;

2) диапазону частот: НЧ, СЧ, ВЧ, ОВЧ, УВЧ и СВЧ (ГОСТ 24375-80). Ра­ диовещательные приемники в зависимости от диапазона длин волн бывают ДВ, СВ, КВ и УКВ. Характерно, что РПУ различных диапазонов имеют струк­ турные, схемные и конструктивные отличия, строятся на различной компонен­ тной базе, и поэтому обычно выполняются как самостоятельные устройства. Однако иногда возможно объединение (частичное или полное) РПУ разных диапазонов, например в радиосвязи и радиовещании;

3)виду принимаемых сигналов: непрерывных и дискретных;

4)виду принимаемой информации: радиотелефонные, кодированных со­

общений, телевизионные (прием подвижных изображений), фототелеграфные (прием неподвижных изображений) и др. Иногда в одном РПУ предусмотрен прием информации различных видов (условно ’Универсальные” РПУ, широко применяемые в радиосвязи);

5) виду модуляции принимаемого радиосигнала: с AM; ЧМ и ФМ, кото­ рые обобщенно называют угловыми видами модуляции (УМ); АИМ; ШИМ; дельта-модуляцией и тд. Иногда в одном РПУ возможен прием сигналов с раз­ личными видами модуляции (например, для радиовещания —с AM и ЧМ), од­ нако в этом случае требуется полная или частичная смена приемного тракта и его узлов;

6) условной 9’дальности действия99РПУ, входящего в определенную радио­ техническую систему (например, для радиолокации —ближнего и дальнего об­ наружения; для радиосвязи —низовой, зоновой, магистральной, космической

ит.д.);

7)месту установки РПУ: стационарные, переносные (носимые), мобиль­ ные (на подвижных сухопутных объектах), бортовые (для работы на судах, самолетах, спутниках космической связи, управляемых ракетах или снарядах

итд .) ;

8) способу питания: от сети переменного тока, гальванических батарей и аккумуляторов, солнечных батарей, с ’’универсальным” питанием, т. е. от не­ скольких источников;

9) способу управления: с ручным, частично или полностью автоматиче­ ским, дистанционным, комбинированным управлением;

10) массогабаритным характеристикам и т.д.

В. 2. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ РАДИОПРИЕМА

Начальный этап развития техники радиоприема связан с изобретением радио А.С.П6повым в 1895 г. Радиоприемник, созданный гениальным русским изобретателем, был пер­ вым радиотехническим устройством, имевшим практическое применение. Ему были при­ сущи основные функции радиоприемного устройства.