Материал: Создание демонстрационного прототипа системы поддержки принятия решений в области проектирования радиоустройств

Структурная схема, представленная на Рис.2 является наиболее общей, в конкретных радиоприемных устройствах отдельные связи между блоками и некоторые блоки могут отсутствовать или выполнять меньший набор функций [9].

В усилительно-преобразовательном блоке (УП) осуществляется выделение полезных сигналов из всей совокупности поступающих от антенны (А) сигналов и помех, не совпадающих по частоте с полезным сигналом, и усиление последнего до уровня, необходимого для нормальной работы последующих каскадов. Непосредственно с сигналом могут производиться нелинейные процедуры (смещение спектра, ограничение амплитуды и др.), но в принимаемую информацию указанный блок существенных искажений не вносит, и в этом смысле его можно считать линейным [9].

В информационном блоке (И) осуществляется основная обработка сигнала с целью выделения содержащейся в нем информации (демодуляции) и ослабление мешающего воздействия помех. При этом важнейшей задачей является выделение информации с максимальной достоверностью - так называемый оптимальный прием. Для этого в составе блока предусматриваются оптимальный фильтр, цепи последетекторной обработки, следящие системы частотной (ЧАПЧ) и фазовой (ФАПЧ) автоматической подстройки частоты, используемые для демодуляции сигнала, а также для его поиска и сопровождения по частоте, фазе и задержке [9].

Гетеродинный блок (Г) преобразует частоту собственного или внешнего опорного генератора и формирует сетки частот, необходимые для работы преобразователей частоты в УП, следящих систем и устройств обработки сигнала в И. В современных приемниках может использоваться самостоятельное устройство - синтезатор частот (СЧ) [9].

Блок адаптации, управления и контроля (АУК) позволяет осуществлять ручное, дистанционное и автоматизированное управление режимом работы радиоприемного устройства (включение и выключение, поиск и выбор сигнала, адаптация к изменяющимся условиям работы и т.д.) и отражает качество его работы на соответствующих индикаторах [9].

В оконечном устройстве (ОУ) энергия выделяемого сигнала используется для получения требуемого выходного эффекта - акустического (телефон, громкоговоритель), оптического (кинескоп, дисплей), механического (печатающее устройство) [9].

Вторичный источник питания (ВИП) преобразует энергию первичного источника в форму, удобную для использования непосредственно в радиоприемном устройстве. В ВИП может осуществляться преобразование напряжения, выпрямление, фильтрация, стабилизация [9].

По степени сложности структурной схемы радиоприемные устройства делят на следующие типы:

Детекторные,

Прямого усиления,

Прямого преобразования,

Супергетеродинные.

Наиболее простой схемой является схема детекторного приемника. В детекторном приемнике выполняются две абсолютно необходимых функции: частотная селекция сигнала и демодуляция сигнала, заключающаяся в выделении сообщения. Такой тип приемника применялся на заре радиотехники, и на данный момент из-за присущих ему серьезных недостатков практически не используется.

Структурная схема приемника прямого усиления представлена на Рис.6. Усиление сигнала происходит непосредственно на частоте принимаемого сигнала вплоть до детектора, то есть на частоте которая воспринимается антенной.

Приемник прямого усиления имеет существенно лучшие качественные показатели, чем детекторный. К его достоинствам можно отнести высокую стабильность частоты настройки и отсутствие в схеме каких-либо генераторов. Недостатками данного типа приемников являются недостаточно высокая и неравномерная по диапазону частотная избирательность, и неравномерность чувствительности к диапазону [9].

В регенеративных приемниках, являющихся разновидностью приемника прямого усиления, достигается повышение избирательности и чувствительности с помощью положительной обратной связи в каскаде усиления радиочастоты. Достоинствами регенеративных приемников является: высокие чувствительность и избирательность по сравнению с приемниками прямого усиления и простыми гетеродинами, простота и дешевизна, низкое потребление энергии. Недостатки: излучение помех при работе в режиме генерации (отсутствие скрытности), требует от оператора знания принципа работы.

Рис. 6 - Структурная схема приемника прямого усиления

Приемник, в котором частота сигнала до детектора преобразуется в некоторую постоянную, обычно достаточно низкую частоту, называют приемником супергетеродинного типа. Частота, в которую преобразуются сигналы, называется промежуточной частотой [8].

Назначение преобразователя частоты состоит в переносе (преобразовании) высокой радиочастоты принимаемого сигнала на промежуточную частоту без изменения закона модуляции.

Рис.7 - Структурная схема приемника супергетеродинного типа

Структурная схема приемника супергетеродинного типа представлена на Рис.7. При такой схеме недостатки, присущие приемнику прямого усиления, в значительной мере устраняются.

В супергетеродинном приемнике усиление и избирательность по высокой частоте осуществляются не только на частоте принимаемого сигнала fc, но и на некоторой промежуточной частоте fпр. Преобразование частоты fcв fпр осуществляется в преобразователе частоты, состоящим из смесителя и гетеродина. Гетеродин генерирует колебания частотой fг. В смесителе, являющимся нелинейным элементом или элементом с периодически меняющимися параметрами образуются комбинационные частоты вида, , где m и n целые числа. Одна из этих частот и применяется в качестве промежуточной частоты. Обычно наиболее удобным является применение разностной частоты, то есть выбирается . При изменениях частоты сигнала fс по диапазону частота гетеродина fг также изменяется и при том по такому закону, чтобы промежуточная частота оставалась постоянной, то есть по следующему закону, где fпр=const. На эту промежуточную частоту настраивается усилитель промежуточной частоты [9].

В качестве гетеродина в современных приемниках используются цифровые синтезаторы частот с кварцевой стабилизацией.

Постоянство промежуточной частоты и возможность выбора ее низкого значения обусловливают достоинства супергетеродина [10]:

более высокая и постоянная в диапазоне рабочих частот избирательность. В тракте промежуточной частоты на постоянной промежуточной частоте можно использовать сложные избирательные системы (фильтры сосредоточенной селекции (ФСС), кварцевые, электронно-механические и т. Д.). С помощью таких фильтров можно получить достаточно узкие и неизменные полосы пропускания;

более высокая и постоянная (равномерная) в диапазоне рабочих частот чувствительность приемника, так как основное усиление также обеспечивается в тракте промежуточной частоты усилителями с низкой и фиксированной частотой настройки;

небольшие нелинейные искажения при детектировании, так как обеспечивается достаточное усиление и работа детектора в линейном режиме.

Однако такая схема приемника имеет и существенные недостатки по сравнению с приемником прямого усиления, а именно [10]:

нестабильность настройки. Вследствие нестабильности частоты гетеродина стабильность настройки приемника может быть ниже, чем в приемнике прямого усиления. Отклонение частоты гетеродина от его номинального значения приводит к отклонению фактического значения промежуточной частоты сигнала от номинальной, т.е. от частоты настройки фильтров в тракте промежуточной частоты;

возможность излучения колебаний гетеродина в антенну;

сравнительная сложность сопряженной перестройки каскадов преселектора и гетеродина по диапазону. Вызывается тем, что коэффициент перекрытия входного устройства преселектора отличается от коэффициента перекрытия контура гетеродина;

относительная сложность схемы;

наличие побочных каналов приема.Приемник супергетеродинного типа помимо основного канала имеет побочные каналы приема. Побочными каналами приема называются полосы частот, находящиеся за пределами канала, на который настроен радиоприемник, но сигналы которых могут проходить на выход радиоприемника. Наибольшую опасность представляют зеркальный канал и канал прямого прохождения промежуточной частоты. Зеркальным называется побочный канал приема радиосигналов, отличающийся по частоте от частоты настройки радиоприемника на удвоенное значение промежуточной частоты.

Супергетеродинным назван приемник с преобразованием частоты, в отличие от гетеродинных приемников, в которых гетеродин используется для выделения низкой частоты при слуховом приеме телеграфных сигналов.

Подавить зеркальный канал можно только в преселекторе. Отметим два очевидных способа повышения избирательности по зеркальному каналу. Повышение избирательных свойств преселектора возможно, во-первых, путем увеличения числа контуров и их добротности и, во-вторых, увеличением значения промежуточной частоты, что позволяет отодвинуть частоту зеркального канала [9].

Источником помех в радиоприемнике является также канал прямого прохождения, это побочный канал приема, включающий в себя промежуточную частоту. Помеха на частоте, равной промежуточной, может проходить через смеситель как через обычный усилитель. УПЧ усиливает помеху канала прямого прохождения так же, как и сигнал. Мешающее действие помехи канала прямого прохождения, как и зеркального канала, может быть ослаблено только в преселекторе [7].

В супергетеродинном приемнике существуют также побочные каналы приема, связанные с преобразованием на гармониках гетеродина. Вокруг этих гармоник могут располагаться помехи с частотами, отличающимися от них на промежуточную частоту.

Высокие требования к избирательности одновременно по соседнему и зеркальному каналам не всегда могут быть достигнуты в супергетеродинном приемнике с одним преобразованием частоты. В этом случае в радиоприемном устройстве применяют двойное преобразование частоты. Структурная схема супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты показана на Рис.8 [9].

Рис.8 - Структурная схема супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты

Первую промежуточную частоту выбирают значительно выше второй. При этом частота первого зеркального канала имеет высокое значение и эффективно подавляется в преселекторе. Напряжение с частотой второго зеркального канала опасно лишь в том случае, если оно попадает на вход второго преобразователя. Помехи этой частоты должны быть подавлены до второго смесителя. Практически это происходит в первом УПЧ. В профессиональных приемниках коротковолнового диапазона первую промежуточную частоту иногда выбирают значительно выше частоты сигнала. Такие приемники называют инфрадинными. В инфрадинном приемнике эффективно разрешается противоречие между требованиями к высокой избирательности по зеркальному и соседнему каналам [9].

При высоких значениях частоты гетеродина на качество радиоприема может оказывать влияние его нестабильность. Здесь особенно важно значение стабильности частоты первого гетеродина. Уменьшить влияние нестабильности частоты первого гетеродина можно путем его выполнения в виде синтезатора частоты с заданным шагом перестройки, представляющего устройство для формирования гармонических колебаний с заданными частотами из колебаний одного или нескольких высокостабильных опорных генераторов.

К недостаткам многократного преобразования частоты относятся большое число побочных каналов приема и сложность схемы приемника.

Если частоту гетеродина в супергетеродинном приемнике выбрать равной частоте принимаемого сигнала, то промежуточная частота будет равна нулю. При этом в приемнике обеспечивается прямое преобразование частоты радиосигнала в низкую звуковую частоту без предварительного ее переноса на промежуточную. Подобные приемники получили название приемников прямого преобразования (синхродины, гомодины). В таких приемниках подавление помех и основное усиление сигнала осуществляется на низкой частоте, что реализуется существенно проще и дешевле [9].

Упрощенная структурная схема приемника прямого преобразования представлена на Рис.9. Так как частота принимаемого сигнала равна частоте гетеродина, побочные каналы в приемнике прямого преобразования остаются лишь на частотах гармоник гетеродина. Эти каналы легко подавляются простейшей одноконтурной входной цепью. Из-за простоты реализации дешевизны и миниатюрности такие приемники сейчас получили широкое распространение, как правило подобные приемники встраиваются в различные электронные гаджеты типа мобильных телефонов [10].