Радиоприёмные устройства. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Радиоприёмные устройства - системы эле-ктрич. цепей, узлов и блоков, предназначенные для улавливания распространяющихся в открытом пространстве радиоволн естеств. или искусств, происхождения и преобразования их к виду, обеспечивающему использование содержащейся в них информации. Первые радиоприёмные устройства созданы в 90-х гг. XIX веке.

Принцип действия радиоприёмных устройств поясняется на обобщённой функциональной схеме (рис. 1). С помощью приёмной антенны 1 происходит преобразование эл--магн. волн

Рис. 1. Обобщённая функциональная схема радиоприёмного устройства: 1 - приёмная антенна; 2 - усилительно-преобразовательный тракт; 3 - информационный тракт; 4 - гетеродинный тракт; 5 - устройство управления и отображения; 6 - оконечное устройство.

в электрич. сигналы. В усилительно-преобразовательном тракте (УТ) 2 осуществляется выделение полезных сигналов из всей совокупности поступающих от антенны сигналов и помех и усиление первых до уровня, необходимого для нормальной работы последующих каскадов радиоприёмных устройств. Хотя в УТ с сигналом могут производиться нек-рые нелинейные процедуры - смещение спектра, ограничение амплитуды и др., в принимаемую информацию этот тракт существенных искажений не вносит и в этом смысле является линейным.

Информац. тракт (ИТ) 3 производит осн. обработку сигнала с целью выделения содержащейся в нём полезной информации (детектирование)и ослабления мешающего воздействия помех естеств. и искусств. происхождения.

Гетеродинный тракт (ГТ) 4 преобразует частоту собственного или внеш. опорного генератора электромагнитных колебаний и формирует дискретные множества частот, необходимые для преобразования частоты в УТ, для работы следящих систем и цифровых устройств обработки сигнала в ИТ, для перестройки радиоприёмных устройств на др. входную частоту и т. п. (см. также Супергетеродин). Устройство управления и отображения 5 позволяет осуществлять ручное, дистанц. и автомати-зиров. управление режимом работы радиоприёмных устройств (включение и выключение, поиск сигнала, адаптация к изменяющимся условиям работы и др.) и отображает качество его работы на соответствующих индикаторах. В оконечном устройстве б энергия выделяемого сигнала используется для получения требуемого выходного эффекта - акустич. (телефон, громкоговоритель), оп-тич. (кинескоп, дисплей), механич. (печатающее устройство) и т. д. Существуют радиотехн. системы (РТС), в к-рых радиоприёмные устройства содержат неск. приёмных антенн и УТ (разнесённый приём) или имеют ряд выходных каналов и оконечных устройств (многоканальные радиоприёмные устройства).

Классификация радиоприёмных устройств определяется в первую очередь назначением соответствующих РТС: системы передачи информации (радиосвязь, радиовещание, телевидение, радиотелеметрия, радиоуправление); системы извлечения информации (радиолокация, радионавигация, радиоастрономия, контроль природной среды); системы разрушения информации (радиопротиводействие). Использование того или иного диапазона радиочастот и ширина спектра, отводимая для РТС разл. классов, регламентированы, что существенно влияет на выбор вида применяемых радиосигналов, и как следствие - на построение и параметры радиоприёмных устройств.

По виду принимаемых сигналов радиоприёмные устройства можно разделить на два крупных класса: для приёма квазикогерентных сигналов или некогерентных, гл. обр. радиотепловых, излучений (см. Когерентность, Радиометр). К первому, более обширному классу относятся радиоприёмные устройства систем передачи и разрушения информации, радиоприёмные устройства активных радиолокац. и радионавигац. систем. Радиометры находят применение в радиотеплолокации, радиоастрономии, при дистанц. контроле природной среды, для обнаружения объектов на фоновых поверхностях и т. д. В свою очередь, квазикогерентные сигналы можно разделить на непрерывные, импульсные и цифровые. В непрерывных РТС радиоприёмные устройства принимают информацию, отображаемую изменением параметров, модуляцией амплитуды (AM), частоты (ЧМ), фазы (ФМ) несущего непрерывного, обычно гармонического, сигнала (см. Модулированные колебания ).В импульсных системах принимаемый сигнал представляет собой последовательность радиоимпульсов, в к-рой информацию могут нести изменяющиеся параметры как отд. импульсов, так и всей последовательности. В цифровых РТС принимаемое несущее колебание модулируется кодовыми группами импульсов, соответствующими определ. уровням передаваемого сигнала.

По функциональному назначению радиоприёмные устройства делят на профессиональные и вещательные (бытовые). Последние обеспечивают приём программ звукового и телевизионного вещания и являются наиб. массовыми ра-диотехн. устройствами. Радиоприёмные устройства подразделяются также по месту установки (стационарные, бортовые, переносные), по способу управления и коммутации, по виду питания.

Различаются радиоприёмные устройства и по мн. конструктивно-эксплуатац. и экономич. показателям: стабильности, точности и времени настройки, эргономичности, надёжности, ремонтопригодности, энергетич. экономичности, массе и габаритам, стоимости, мобильности и др.

Основные параметры радиоприёмные устройств

Чувствительность радиоприёмных устройств характеризует его способность принимать слабые сигналы и количественно определяется мин. эдс или номинальной мощностью Р_A в антенне, при к-рых на выходе радиоприёмного устройства сигнал воспроизводится с требуемым качеством. Под последним обычно понимается обеспечение либо нормального функционирования оконечного устройства при заданном отношении сигнал - шум на выходе радиоприёмного устройства, либо одного из вероятностных критериев принятого сигнала.

При приёме сравнительно сильных сигналов (вещательный приём), в условиях относительно слабого влияния помех чувствительность радиоприёмные устройства ограничивается усилением УТ. Если сигнал и помехи соизмеримы, повышение усиления не приводит к росту чувствительности. Поскольку кроме внешних помех на выходе УТ всегда присутствуют помехи, обусловленные в осн. флуктуац. шумами (см. Флуктуации электрические), предел чувствительности определяется последними. Реальная чувствительность радиоприёмного устройства определяется соотношениями

где Т_c = 293 К, П_ш - шумовая полоса (полоса частот, в к-рой оценивается интенсивность шумов), Кp - =- коэф. усиления мощности УТ,

- мощность сигнала соответственно на входе и выходе УТ, D =

- коэф. различимости,

P_ш.вых - мощность шумов на выходе УТ, R_А - полное активное сопротивление антенны,

коэф. шума радиоприёмного устройства, P_ш.вх - мощность шумов на входе УТ. При D = 1 достигается пороговая чувствительность

Для оценки шумовых свойств малошумящих радиоприёмных устройств используется также шумовая температура

радиоприёмных устройств СВЧ имеют чувствительность 10^-9-10^-19 Вт или шумовую температуру 5-500 К, чувствительность радиоприёмных устройств умеренно высоких частот находится в зависимости от назначения в пределах от десятых долей до тыс. мкВт.

Избирательностью радиоприёмного устройства называют его способность отделять полезный сигнал от мешающих, основанную на использовании отличит. признаков полезных и мешающих сигналов: направлении распространения и времени действия, поляризации, амплитуды, частоты и фазы. Пространственная и поляризац. избирательность достигается применением антенн с острой диаграммой направленности или с электронно-управляемым лучом (в фазированных антенных решётках), их настройкой на соответствующую поляризацию сигнала. Временная избирательность (при приёме импульсных сигналов) достигается отпиранием радиоприёмного устройства лишь на время действия полезного сигнала. Осн. значение имеет частотная избирательность, поскольку в большинстве РТС сигналы отличаются по частоте и их разделение осуществляется с помощью резонансных электрич. цепей и фильтров электрических (см. также Резонансный усилитель ).Различают односигнальную и многосигнальную избирательность.

Односигнальная избирательность определяется амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ) избирательных цепей в УТ при действии на вход радиоприёмного устройства только одного слабого сигнала - полезного или мешающего, не вызывающего нелинейных эффектов. Количественно избирательность оценивается чаще всего отношением, показывающим, во сколько раз усиление УТ (или отдельного его каскада) для полезного сигнала больше усиления для мешающего сигнала. Др. мерой оценки односигнальной избирательности служит коэф. прямоугольности, равный отношению полос пропускания УТ (или отдельных его каскадов) при двух значениях нормированного коэф. усиления, обычно 3 дБ и 60 дБ: чем ближе этот коэф. к единице, тем больше АЧХ реального каскада совпадает с идеальной прямо-уг. характеристикой и тем выше односигнальная избирательность.

Обычно приём слабого сигнала осуществляется на фоне одной или неск. значительных по уровню вне-полосных помех (т. е. помех, не попадающих в полосу пропускания радиоприёмного устройства), при этом начинает проявляться нелинейность УТ и его АЧХ уже не полностью характеризует реальную избирательность радиоприёмного устройства, для оценки к-рой используется многосигнальная (двух- и трёхсиг-нальная) избирательность. Нелинейные эффекты в УТ обусловлены гл. обр. нелинейностью вольт-амперной характеристики его активных элементов (диодов, транзисторов и др.) при больших уровнях сигнала или помех и вызывают такие явления, как интермодуляция, перекрёстные искажения, блокирование, сжатие амплитуды. Интермодуляция (взаимная модуляция) возникает вследствие образования сигналов с комбини-ров. частотами при нелинейном преобразовании в УТ двух и более помех. Если эти составляющие в УТ далее усиливаются, создаётся побочный канал приёма. Количественно интермодуляция оценивается отношением уровня промодулиров. сигнала на выходе УТ к уровню одного из взаимодействующих сигналов.

Перекрёстные искажения проявляются в переносе модуляции с мешающего внеполосного сигнала на полезный. Блокирование выражается в уменьшении усиления полезного сигнала под действием мешающего сигнала близкой частоты и оценивается уровнем последнего, вызывающим ослабление на 3 дБ выходной мощности полезного сигнала. В режиме большого полезного сигнала наблюдается явление сжатия амплитуды, т. е. нарушения линейной зависимости между амплитудами сигнала на входе и выходе УТ. Повышение реальной избирательности достигается снижением с помощью фильтрующих цепей уровня помех на входе первого усилительного (нелинейного) элемента и принятием мер по линеаризации его характеристик.

Верность воспроизведения сообщений - это способность радиоприёмного устройства в отсутствие помех воспроизводить на выходе с заданной точностью закон модуляции принимаемых сигналов. Количественно оценивается искажениями, т. е. изменениями формы выходного сигнала по сравнению с модулирующей функцией. Линейные (амплитудные и фазовые) искажения, обусловленные инерционностью элементов УТ, не сопровождаются появлением в спектре сигнала новых составляющих, не зависят от уровня входного сигнала и глубины модуляции; амплитудные искажения проявляются в изменении соотношения амплитуд спектральных составляющих. Оценка фазовых искажений, проявляющихся в неравенстве сдвигов во времени разл. составляющих спектра сигнала при прохождении через УТ, проводится с использованием характеристики группового запаздывания. При слуховом приёме существенны лишь амплитудные искажения, при визуальном, особенно телевизионном,- также и фазовые. Для оценки линейных искажений при визуальном приёме пользуются, кроме того, т. н. переходной характеристикой радиоприёмного устройства, представляющей временную зависимость выходного напряжения при подаче сигнала с единичным скачком модулирующего напряжения.

Нелинейные искажения оцениваются коэф. гармонических искажений. Динамич. диапазон радиоприёмного устройства определяется отношением макс. уровня сигнала, ограниченного допустимыми нелинейными искажениями в УТ, к чувствительности и характеризует пределы изменения уровня входных сигналов, в к-рых УТ практически линеен. С помощью автоматич. регулировки усиления достигается динамич. диапазон 100-120 дБ.

Помехоустойчивость - способность радиоприёмного устройства обеспечивать необходимое качество приёма при действии разл. видов помех, разделяемых на мультипликативные, связанные со случайными изменениями свойств среды распространения эл--магн. волн и приводящие к замираниям, искажениям формы сигнала, межсимвольной интерференции и т. п., и аддитивные, образующиеся в результате суммирования посторонних эл--магн. колебаний с полезным сигналом. Последние делятся на естественные (атмосферные и космич. шумы, шумы теплового излучения Земли) и искусственные, в числе к-рых создаваемые сторонними радиопередатчиками, индустриальные и т. п. Помехи, не попадающие в осн. канал приёма (внеканальные), ослабляются цепями, обеспечивающими частотную избирательность радиоприёмного устройства. Для подавления внутриканальных помех используется отличие их спектральных, временных и др. характеристик от характеристик сигнала, для чего применяют помехоустойчивые виды модуляции, корректирующие коды и спец. виды обработки сигналов. Для количеств. оценки помехоустойчивости используются вероятностный, энергетич. и артикуляц. критерии. Под восприимчивостью радиоприёмного устройства понимают его реакцию на помехи, действующие как на антенну, так и на др. цепи - питания, управления и коммутации.

Существует неск. типов УТ, структурные схемы к-рых показаны на рис. 2. В радиоприёмном устройстве с прямым преобразованием сигнала (рис. 2, а)

Рис. 2. Структурные схемы усилительно-преобразовательных трактов: а - с прямым преобразованием сигнала; б - с прямым преобразованием сигнала гетеродинированием; в - тракт прямого усиления; г - супергетеродин.

входными цепями (ВЦ) резонансного или фильтрового типа осуществляется частотная избирательность, а затем производится демодуляция сигнала (Д) и его последующее усиление на частоте модуляции (УЧМ). Простейшие устройства этого типа - детекторные были исторически первыми радиоприёмными устройствами, их недостаток - низкая чувствительность, поэтому их применение ограничено СВЧ-системами анализа эл--магн. обстановки и т. п. Применение более сложных демодуляторов, напр. автокорреляционного, позволяет реализовать простые и надёжные радиоприёмные устройства сигналов относительной фазовой телеграфии с высокой помехоустойчивостью.

Разновидность Р. у. с прямым преобразованием сигнала - устройства с прямым гетеродинированием сигнала СВЧ на видеочастоту с помощью смесителя (СМ) и гетеродина (Г) (рис. 2, б). В этом случае осн. усиление и избирательность осуществляются на видеочастоте, а к преобразователю частоты (ПЧ) предъявляются повыш. требования к динамич. диапазону, коэф. шума, уровню интермодуляционных помех. Одноканальные радиоприёмные устройства с независимым гетеродином используются, в частности, в доплеровских радиолокац. системах для измерения скорости объекта наблюдения. Квадратурные ПЧ позволяют осуществлять демодуляцию сигнала с любыми видами модуляции при сохранении информации об амплитуде и фазе исходного радиосигнала.

В радиоприёмных устройствах прямого усиления (рис. 2, в)входная цепь осуществляет предварит. частотную избирательность и согласовывает антенну со входом малошумящего усилителя (МШУ), осн. назначение к-рого - повышение чувствительности устройства за счёт снижения уровня собств. шумов. Следующий затем усилитель радиочастоты (УРЧ) обеспечивает осн. усиление тракта и частотную фильтрацию сигнала от помех. Настройка на полезный сигнал производится синхронной перестройкой по частоте входной цепи, МШУ и УРЧ. Несмотря на использование эфф. МШУ и сложных частотно-избирательных цепей, такие радиоприёмные устройства из-за ряда трудностей техн. характера применяют лишь при сравнительно невысоких требованиях к чувствительности и избирательности.

В радиоприёмных устройствах прямого усиления функции МШУ и УРЧ могут выполняться разл. регенеративными усилителями: квантовыми парамагнитными - мазерами, параметрическими, на туннельных диодах, Ганна диодах и др., в к-рых в колебательную систему в сигнальном тракте вносится обусловленное разл. физ. явлениями отрицательное дифференциальное сопротивление ,обеспечивающее усиление по мощности за счёт перекачки энергии от источника питания (накачки). Регенеративные усилители могут обладать весьма малыми коэф. шума и значительным усилением по мощности, что позволяет обойтись одним каскадом УРЧ, однако они относительно узкополосны и требуют повыш. внимания к вопросам обеспечения устойчивости по отношению к дестабилизирующим факторам. В суперрегенераторе вносимое в колебательную систему отрицат. сопротивление таково, что в течение части периода в ней самовозбуждаются автоколебания. Радиоприёмные устройства с суперрегенераторами в качестве УРЧ свойственны значит. искажения сигнала и опасность паразитного излучения через приёмную антенну, вследствие чего их применение ограничено портативными устройствами СВЧ, отвечающими сравнительно невысоким требованиям.

Основной тип построения УТ разд. классов радиоприёмных устройств - супергетеродин (рис. 2, г) с одно- или многократным преобразованием частоты. Входная цепь, МШУ и УРЧ образуют т. н. преселектор, обеспечивающий чувствительность и предварит. частотную избирательность радиоприёмных устройств. В результате одноврем. воздействия усиленного сигнала и колебаний гетеродина на смеситель ,содержащий нелинейный элемент или элемент с переменным параметром, на выходе образуются колебания с гармониками и комбинационными составляющими с частотами

Одна из этих составляющих выделяется фильтром и используется в качестве новой несущей выходного сигнала с частотой, называемой промежуточной f_пр. Обычно f_пр = |f_г - f_с|, f_г

f_с (разностное преобразование); при этом f_г выбирается так, чтобы f_пр была ниже границы диапазона рабочих частот радиоприёмных устройств. Реже используются преобразова-ние при n =2, 3, ... и суммарное преобразование с f_пр= = f_г + f_с. В процессе преобразования происходит перенос спектра сигнала в область f_пр без нарушения амплитудных и фазовых соотношений его составляющих, т. е. ПЧ линеен по сигналу. За ПЧ следует усилитель промежуточной частоты (УПЧ), частотно-избирательные цепи к-рого обеспечивают осн. избирательность супергетеродина по соседнему каналу. Для обеспечения fпр - const при перестройке радиоприёмного устройства в рабочем диапазоне частот реализуется сопряжённая настройка входной цепи, избирательных цепей УРЧ (МШУ) и гетеродина. Перенос сигнала на более низкую фиксированную частоту позволяет сравнительно просто реализовать в УПЧ достаточно устойчивое усиление, обеспечить высокую частотную избирательность, а также оптимальную фильтрацию сигнала от помех с помощью согласованных фильтров, однако вызывает и такие нежелат. эффекты, как образование побочных каналов приёма (зеркального, интермодуляционного, комбинационного, прямого), влияние нестабильности частоты гетеродина на настройку, возможность излучения колебаний гетеродина через приёмную антенну. Такая возможность наиб. реальна при отсутствии УРЧ (МШУ), когда первым каскадом УТ является ПЧ, как это зачастую имеет место в радиоприёмных устройствах миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Весьма высокие требования к избирательности по соседнему и зеркальному каналам выполняются в супергетеродинах с последовательным многократным преобразованием частоты.

Чувствительность радиоприёмного устройства, особенно в СВЧ-диапазоне, решающим образом зависит от коэф. шума и усиления по мощности первых каскадов УТ. На рис. 3 приведены обобщённые шумовые характеристики МШУ и диодных смесителей. Наименьшим уровнем шумов обладают охлаждаемые квантовые парамагн. усилители, однако вследствие высокой сложности и стоимости, плохих массогабаритных показателей их использование ограничено практически радиоастрономическими радиоприёмными устройствами. Весьма низким уровнем шумов обладают также охлаждаемые параметрич. усилители и усилители на полевых транзисторах с барьером Шоттки (УПТШ), причём массогабаритные показатели допускают их применение даже в бортовых радиоприёмных устройств. Оба типа устройств применяются преим. в наземных радиоприёмных устройствах систем космич. связи, причём вследствие большей простоты и технологичности полевых транзисторов они постепенно вытесняют параметрич. усилители. Неохлаждаемые параметрич. усилители и УПТШ широко используются в бортовых радиоприёмных устройствах космич. систем, а УПТШ также и в радиоприёмных устройствах наземных радиорелейных линий разл. типов, в радиолокац. и др. системах на частотах выше 4-6 ГГц. На более низких частотах МШУ и УРЧ реализуются преим. на транзисторах биполярных. Лампы бегущей волны вытесняются полупроводниковыми приборами во всех частотных диапазонах, включая СВЧ. На миллиметровых и субмиллиметровых волнах первым каскадом радиоприёмного устройства служит чаще всего ПЧ с балансным смесителем на диодах с барьером Шоттки, причём широко используется схема с возвращением энергии комбинац. частот.

Рис. 3. Зависимость шумовых параметров МШУ и диодных смесителей от частоты [41: 1 - лампа бегущей волны; г - усилитель на туннельном диоде; 3 - усилитель на биполярном транзисторе; 4 - УПТШ; 5 - полупроводниковый ПУ; b - УПТШ, охлаждаемый до 20 К; 7 - полупроводниковый ПУ, охлаждаемый до 20 К; 8 - квантовый парамагнитный усилитель, охлаждаемый до 4 К.

В качестве источников гетеродинных колебаний применяются обычно маломощные генераторы на разл. активных элементах (транзисторах, ИС, диодах Ганна, клистронах и др.) с относит. частотной нестабильностью 10^-3-10^-9, достигаемой использованием разнообразных типов резонаторов: резонансных контуров с сосредоточенными и распределёнными параметрами, кварцевых, диэлектрич., на поверхностных акустич. волнах и т. п. Используется термостатирование генераторов и перенос высокостабильных колебаний в СВЧ-диапазон с помощью транзисторно-варакторных цепочек. Широко применяются декадные синтезаторы частот о дискретным частотным интервалом, построенные на основе систем фазовой автоподстройки частоты с переменным делителем частоты, а также по методу суммирования импульсных последовательностей.

В интегральной технике решается широкий круг задач обработки сигнала, подразделяемых на группы, для каждой из к-рых может быть синтезирована типовая оптимальная структура тракта. Структурный синтез оптимального радиоприёмного устройства разработан в осн. для случая воздействия аддитивных широкополосных шумовых помех гауссового или марковского типа, что характерно, в частности, для диапазонов метровых, дециметровых и сантиметровых волн в отсутствие искусств. помех. Первая группа задач - оценка (фильтрация) непрерывного сообщения, существенно изменяющегося на интервале наблюдения. При приёме модулиров. колебаний процесс фильтрации сообщения эквивалентен процессу демодуляции. Этот круг задач решается с использованием оптимальных линейных фильтров, сложных частотных и фазовых демодуляторов. Вторая группа - приём дискретных сообщений - включает бинарное обнаружение (приём двоичных сигналов с пассивной паузой в импульсных и цифровых РТС, обнаружение сигнала в радиолокации), распознавание двух сигналов, обнаружение и распознавание неск. сигналов. Применяются оптимальные фильтры, как согласованные с сигналом, так и нечувствительные к его фазе, корреляторы, фазовые обнаружители, устройства синхронизации и др. Третья группа задач связана с оценкой разл. параметров принимаемых сигналов в предположении, что на интервале наблюдения соответствующий параметр не изменяется. Это осн. задачи радиоприёмных устройств РТС измерит. типа - радиолокационных, радионавигационных, радиотелеметрических, в них широко применяются сложные сигналы (шумоподобные, с линейной частотной модуляцией и др.).

В устройствах управления и отображения используются электронные исполнительные элементы (варикапы, pin-диоды, полевые транзисторы), управляемые, в зависимости от функционального и информац. назначения радиоприёмного устройства, в аналоговой форме, с помощью непрограммируемых и программируемых цифровых устройств, микропроцессоров и перепрограммируемых постоянных устройств памяти, причём существует тенденция к вытеснению аналоговых устройств цифровыми (см. также Памяти устройства ).Индикация одномерных величин (частоты настройки, уровня сигнала и т. п.) производится на цифровых, знаковых или линейных светодиодных индикаторах, двумерная индикация осуществляется на осциллографических, мозаичных светодиодных индикаторах, дисплеях на жидких кристаллах и др.

Основные направления развития радиоприёмных устройств: широкое внедрение цифровых методов оптимальной обработки сигналов и цифровых устройств управления и отображения; более эффективное использование СВЧ-диапазона, освоение миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов; комплексная микроминиатюризация с повышением степени интеграции, внедрением СВЧ- и сверхскоростных ИС.

Литература по радиоприёмным устройствам

Знаете ли Вы, что только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.