Лекция 10. Радиоприемники

Радиоприемные устройства. Основные параметры радиоприемников. Структурные схемы приемника прямого усиления и супергетеродинного приемника. Входные цепи, схемные решения, основные характеристики. Преобразователи частоты. Смесители и гетеродины. УПЧ. Детекторы. Регулировка в радиоприемниках.

Радиоприемное устройство служит для выделения полезного сигнала на фоне помех, преобразования его для извлечения передаваемой информации и выдачи ее потребителю.

Типы радиоприемников соответствуют перечисленным в лекции 9 типам радиопередатчиков.

Основные параметры радиоприемников:

1. Чувствительность – минимальный уровень сигнала на входе приемника, при котором обеспечивается заданный уровень сигнала на выходе; измеряется в абсолютных единицах (микровольтах, мкВ или мВ/м²) или относительных (как правило в децибелах на фемтоватт, дБф ). Пересчет из абсолютных в относительные единицы осуществляется по формуле аналогичной (9.1) с учетом входного сопротивления приемника (обычно равного 50 Ом).

2. Динамический диапазон – отношение максимального к минимальному уровню сигнала, выраженное в децибелах.

3. Избирательность – такой относительный уровень сигнала на входе приемника (по отношению к помехе), при котором на выходе обеспечивается заданный уровень полезного сигнала. Различают основную избирательность (по соседнему каналу), избирательность по зеркальному (побочному) каналам и др.

4. Полоса пропускания – диапазон частот, в пределах которого приемник обеспечивает заданные чувствительность и избирательность.

5. Для стереофонических приемников дополнительно вводят коэффициент разделения стереоканалов.

6. Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник) характеризуется отношением основной гармоники (полезного сигнала) к сумме гармоник, вызванных нелинейными искажениями сигнала в тракте приемника.

7. Для телевизионных, радиолокационных и др. типов приемников используют специальные параметры, например "чувствительность, ограниченная синхронизацией" или "коэффициент шума".

Наиболее полной характеристикой радиоприемника является характеристика восприимчивости (рис. 10.1).

В пределах полосы пропускания f симметрично относительно рабочей частоты f_р обеспечивается максимальное усиление (в данном случае выраженное как минимальный уровень сигнала по мощности) P_{пр min}.

За пределами полосы пропускания приемник характеризуется допустимыми уровнями помех Р₁, Р₂.

Динамический диапазон D зависит от расстройки относительно f_р.

Существует три основных структурных схемы радиоприемников:

 приемник прямого усиления;

 супергетеродин;

 приемник прямого преобразования.

Рассмотрим их по порядку.

Структурная схема приемника прямого усиления приведена на рис. 10.2.

От приемной антенны радиосигнал поступает на входную избирательную цепь (ВЦ), осуществляющую селекцию полезного сигнала на фоне помех. Далее ВЧ-сигнал усиливается усилителем высокой частоты (УВЧ, иногда его называют усилителем радиочастоты  УРЧ). Назначение УВЧ  обеспечение амплитуды ВЧ-сигнала, необходимой для работы детектора (Д). Детектор выделяет НЧ-сигнал, содержащий полезную информацию. После этого НЧ-сигнал усиливается усилителем низкой частоты (УНЧ, иногда его называют видеоусилителем) до уровня, необходимого для правильной работы оконечного устройства (ОУ). Вид оконечного устройства зависит от назначения радиоприемника. Самое распространенное оконечное устройство  громкоговоритель (наушники). Оконечное устройство тракта обработки изображений телевизионного приемника  кинескоп или матричный индикатор. Радиолокационный приемник снабжен оконечным устройством специального типа, например индикатором кругового обзора и т.д.

Основное достоинство приемника прямого усиления  простота.

Два главных недостатка  низкая чувствительность и плохая избирательность  сильно ограничивают области применения таких радиоприемников.

Указанные недостатки обусловлены тем обстоятельством, что основную обработку в данной схеме выполняет УВЧ, а обеспечить одновременно высокое усиление и заданную полосу пропускания на высоких частотах сложно технически.

Перестройка по частоте приемника прямого усиления также осуществляется недостаточно эффективно.

Устранить недостатки приемников прямого усиления позволяет супергетеродинный приемник, основные блоки которого приведены на рис. 10.3.

Приемная антенна (А) связана с преселектором (ПС), роль которого аналогична входной цепи (ВЦ) на рис. 10.2. С выхода УВЧ сигнал на частоте f_c поступает на преобразователь частоты (ПЧ), состоящий из смесителя (См), на который подается напряжение гетеродина (Гет) с частотой f_г. В результате на выходе преобразователя частоты формируется сигнал на промежуточной частоте f_пч. Этот сигнал усиливается усилителем промежуточной частоты (УПЧ), который обеспечивает основное усиление и основную избирательность всего радиоприемника. После УПЧ сигнал детектируется детектором, поступает на УНЧ и далее к оконечному устройству.

Если частота входного сигнала выше, чем частота гетеродина, то выполняется следующее соотношение:

f_пч = f_c  f_г = const. (10.1)

Когда выше частота гетеродина, формула видоизменяется так

f_пч = f_г  f_с = const. (10.2)

Поскольку промежуточная частота должна быть неизменной, то необходимо перестраивать не только преселектор и УВЧ, но и гетеродин.

Обычно f_пч << f_c , поэтому на сравнительно низкой (причем постоянной) частоте гораздо легче реализовать большое усиление и хорошую избирательность. Это главные преимущества супергетеродинов.

Процесс преобразования частоты в обычном супергетеродинном приемнике иллюстрирует рис. 10.4.

Супергетеродинные приемники составляют подавляющее большинство всех выпускающихся приемных устройств. По супергетеродинной схеме строятся вещательные и связные радиоприемники, приемные тракты телевизоров, приемные устройства радиолокационных станций и многие другие.

Долгое время даже считалось, что применять другие типы радиоприемников нецелесообразно. Однако к концу 60-х годов ХХ века вновь обратились к предшественнику супергетеродина, так называемому гетеродинному приемнику (без префикса «супер»).

На самом деле супергетеродинный приемник не лишен недостатков.

Помимо основного канала приема супергетеродин имеет множество так называемых побочных каналов, самым нежелательным из которых считается зеркальный (рис. 10.5).

Еще один недостаток  возможность излучения в эфир через приемную антенну сигнала внутреннего гетеродина, что ухудшает электромагнитную обстановку.

Рис. 10.5

Примечание. В процессе совершенствования методов радиоприема были разработаны супергетеродинные приемники, в которых осуществляется несколько преобразований частоты. Как правило, первая промежуточная частота при этом выше, чем частота входного сигнала, а последующие промежуточные частоты  ниже. Такой метод позволяет эффективнее подавить помехи по зеркальному и побочному каналам приема.

Наконец, очевидно, что по сравнению с приемником прямого усиления супергетеродин сложнее в изготовлении, настройке и эксплуатации.

Еще один недостаток, присущий не только классическим супергетеродинам, но и простым приемникам прямого усиления  наличие нелинейного амплитудного детектора. Такой детектор вносит нелинейные искажения, он способен работать только при достаточно большом уровне входного сигнала и обладает малой помехоустойчивостью.

В современных решениях обычный диодный детектор заменен так называемым синхронным детектором, представляющим собой, по сути, преобразователь частоты.

Гетеродинный приемник иногда так и называют «супергетеродин с нулевой ПЧ», известно и другое название  приемник прямого преобразования DCR (Direct Conversion Receiver).

Структурная схема DCR приведена на рис. 10.6.

Как видно из рис. 10.6 многие блоки DCR аналогичны супергетеродину и служат для тех же целей. Преобразователь частоты выполняет демодуляцию сигнала и называется «синхронным детектором» (СД). Поскольку центральная частота сигнала равна частоте гетеродина, на выходе синхронного детектора сразу получаем полезный низкочастотный сигнал. Таким образом, в отличие от двухступенчатого процесса, показанного на рис. 10.4, здесь выполняется линейный перенос спектра полезного сигнала сразу в низкочастотную область.

Все преимущества классических супергетеродинов в приемниках прямого преобразования сохраняются, к тому же схема оказывается проще, а нелинейные искажения  меньше. Вот почему принцип синхронного детектирования нашел самое широкое практическое применение. Сейчас он используется при разработке радиоприемных устройств повсеместно.

К сожалению, в DCR сохраняются некоторые недостатки обычных супергетеродинов: есть побочные каналы приема и возможность паразитного излучения гетеродина.

Рассмотрим некоторые схемотехнические решения различных каскадов радиоприемников.

Входные цепи могут выполняться с емкостной, трансформаторной или автотрансформаторной связью (рис. 10.7, а, б и в, соответственно). Первая схема используется преимущественно на высоких рабочих частотах, вторая  на низких частотах. Третий вариант представляет собой компромисс, позволяющий избежать шунтирования входного каскада УВЧ.

В каскадах УВЧ биполярные транзисторы, включают по схеме с общей базой (так удается уменьшить влияние паразитных емкостей прибора), полевые транзисторы используют по схеме с общим истоком (это обеспечивает высокое входное сопротивление).

На рис. 10.8 приведен пример УВЧ на двухзатворном МДП транзисторе.

Входной сигнал выделяется колебательным контуром, состоящим из элементов L_к1, С_к1 и С_п1 и поступает на первый затвор МДП-транзистора VT. Резистивный делитель R₁, R₂ создает на втором затворе транзистора постоянное напряжение смещения, определяющее статический режим каскада. Резистор R₃ стабилизирует работу схемы. Нагрузкой транзистора служит контур, образованный элементами L_к2, С_к2 и С_п2. Выходное напряжение снимается с катушки связи L_св. Для развязки постоянной и переменной составляющих предусмотрены блокировочные конденсаторы С_бл1...С_бл4. Настройка каскада осуществляется одновременным изменением емкости переменных конденсаторов С_к1 и С_к2.

Цепь второго затвора можно использовать для осуществления автоматической регулировки усиления (АРУ), коэффициент усиления можно регулировать, изменяя отвод катушки L_к2.

В гетеродинах радиоприемников могут применяться известные схемы емкостной и индуктивной трехточки. На рис. 10.9 приведен пример гетеродина на биполярном транзисторе по схеме емкостной трехточки.

Контур задающего генератора образован элементами L_к, С_к , а также С_к1, С_к2 и С_к3, образующими емкостной делитель для обеспечения условия баланса амплитуд.

Транзистор VT₁ включен по схеме с общим эмиттером, выходной сигнал снимается с нагрузки R_к. Для улучшения характеристик гетеродина предусмотрен буферный каскад на транзисторе VT₂, включенном по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель), выходной сигнал снимается с нагрузки каскада R_э. Развязку по питанию обеспечивает дроссель L_р и блокировочный конденсатор С_бл. Резисторные делители R₁, R₂ и R₃, R₄ задают статические режимы транзисторов VT₁ и VT₂.

Существует много различных вариантов смесителей. Все схемы можно условно разделить на активные и пассивные. Первые обеспечивают больший коэффициент передачи, но имеют меньшее отношение сигнал/шум. Схемотехника активных смесителей аналогична усилителям. Поэтому здесь рассмотрим примеры схем пассивных смесителей.

На рис. 10.10 приведен пример диодного балансного смесителя.

Входной сигнал U_c поступает на катушку связи L_св. Отвод катушки L₁ делит ее поровну на две части. В результате напряжения на диодах VD₁ и VD₂ оказываются равными. Сигнал гетеродина U_г подается на емкостной делитель, образованный подстроечными конденсаторами С_п1 и С_п2. В результате на резисторе нагрузки R_н формируется напряжение биений с разностной частотой f_c – f_г . Балансировка схемы осуществляется подбором емкостей конденсаторов С_п1 и С_п2, а также сопротивления резистора R_н.

НЧ-фильтр из элементов L_ф, С_ф1 и С_ф2 необходим для уменьшения паразитных высокочастотных составляющих.

Примечание. Рассмотренная схема обладает свойством обратимости: при подаче на ее выход напряжения сигнала, на входе получим промодулированное ВЧ-колебание, т.е. получим балансный модулятор.

Еще один интересный пример приведен на рис. 10.11 – смеситель на встречно соединенных полевых транзисторах.

В схеме нет источника питания. Здесь полевые транзисторы VT₁ и VT₂ работают по сути как управляемые переменные резисторы, чем объясняется исключительно малый уровень собственных шумов смесителя. Для правильной работы схемы необходимо выполнить важное условие f_г = f_c /2. Это позволяет также улучшить развязку входных цепей и гетеродина. Связь со входом автотрансформаторная через отвод катушки L₁. Катушка L₂ состоит из двух равных частей. Связь с цепями гетеродина осуществляется через катушку L_св. Назначение остальных элементов аналогично схеме на рис. 10.10.

Схемы амплитудных диодных детекторов имеют много общего со схемами выпрямителей (см. рис. 7.3), отличия наблюдаются только из-за разницы частотных диапазонов. Иначе строятся частотные и фазовые детекторы.

На рис. 10.12 приведена схема частотного дискриминатора. Особенность в наличии одновременно индуктивной (за счет взаимной индукции М между L₁ и L₂) и емкостной (через конденсатор С_св) связей с предыдущим каскадом.

Элементы схемы выбраны так, что если частота входного сигнала равна центральной f₀, то напряжения компенсируются и выходной сигнал равен нулю. Изменение частоты в ту или другую сторону нарушает симметрию схемы и на выходе дискриминатора появляется ненулевой продетектированный диодами VD₁ и VD₂ сигнал.

Усилители промежуточной частоты строятся по стандартным схемам многокаскадных избирательных усилителей, здесь широко используются специализированные интегральные микросхемы. Особенности схемотехники УНЧ связаны только с оконечным устройством. При этом важно обеспечить максимальный КПД или специальные требования.

Чаще всего в радиоприемниках используют два вида автоматических регулировок: регулировку усиления (АРУ) и автоподстройку частоты (АПЧ).

АРУ необходима для поддержания неизменного уровня сигнала на выходе радиоприемника при изменении уровня входного сигнала. Цепью АРУ могут быть охвачены каскады УРЧ или УПЧ. На рис. 10.13 приведен пример структурной схемы АРУ, реализованной в каскаде УПЧ супергетеродина.

Сигнал АРУ снимается с детектора (Дет) и проходит через интегратор (Инт), поскольку цепь АРУ должна работать по среднему уровню сигнала, не реагируя на мгновенные выбросы. Цепь АРУ рассчитывают таким образом, чтобы при уменьшении амплитуды сигнала со смесителя, усиление УПЧ возрастало и наоборот. АРУ – эффективный способ борьбы с замираниями.

Существуют специальные схемы АРУ: ВАРУ (временная АРУ), ШАРУ (широкополосная АРУ), МАРУ (мгновенная АРУ) и др. Их применяют в приемниках специального назначения: радиолокационных, радионавигационных и т.п.

На рис. 10.14 приведен пример реализации петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) приемника прямого преобразования.

Сигнал АПЧ проходит через интегратор и усилитель постоянного тока (УПТ) и поступает на гетеродин, в качестве которого использован генератор, управляемый напряжением (ГУН). Схема действует так, что при расстройке по частоте сигнал АПЧ изменяет частоту гетеродина в нужную сторону, чтобы выходной сигнал оставался неизменным.

Примечание. Системы фазовой и частотной автоподстройки часто используют и в задающих генераторах передатчиков для повышения стабильности частоты.

В заключение рассмотрим интересный пример радиоприемника УКВ-диапазона с ФАПЧ (рис. 10.15).

Контур L_к1 , С_к1 настраивают на частоту 70 МГц, L_к2 , С_к2 – 35 МГц. Транзистор VT работает одновременно как гетеродин, синхронный детектор и УНЧ. Звуковой сигнал снимается с нагрузки R_н в качестве которой использован телефонный капсюль. ФАПЧ осуществляется за счет изменения паразитной емкости транзистора (и частоты гетеродина) при изменении протекающего тока.