Пороговая чувствительность приемника. Практическое использование специальных шкал децибел при проверке чувствительности радиоприемников

Лекция №6 н.

Внутренние шумы и чувствительность приемника .

Собственное сопротивление антенны, ее тепловой шум и шумы входных цепей радиоприемника являются факторами, влияющими на чувствительность радиоприемника - т.е. способность приемника обеспечивать прием слабых радиосигналов. Основное влияние имеет шум, возникающий во входных каскадах радиоприемника, поскольку он усиливается в той же степени, как и полезный сигнал.

Как известно, каждый проводник, имеющий сопротивление, создает электрические флуктуации - шум во всем частотном спектре. Этот шум обусловлен тепловым движением носителей электрического заряда. Случайное тепловое движение носителей заряда в проводнике вызывает случайную разность потенциалов на его концах. Эта разность потенциалов колеблется около среднего значения, равного нулю, а ее средний квадрат пропорционален абсолютной температуре. Этот шум называют тепловым. Величина шума зависит от омического сопротивления проводника, его температуры и ширины полосы передаваемого сигнала. Среднеквадратическое напряжение теплового шума, В, определяется из выражения

где k - постоянная Больцмана, k = 1, 38٠10 -23 Дж/К; Т - температура, К; В - ширина полосы, Гц; R - сопротивление, Ом,

Приемник является устройством, состоящим из множества активных и пассивных элементов, обладающих активным сопротивлением, Линейная часть радиоприемника от входа до детектора характеризуется безразмерным коэффициентом шума F, который показывает во сколько раз отношение мощностей сигнала и шума на входе Рс/Рш больше отношения мощностей сигнала и шума на выходе Р С.Вых /Р ш.вых :

В настоящее время принято использовать коэффициент шума, выраженный в децибелах. В идеальном нешумящем приемнике коэффициент шума F = 1 (О дБ), так как сигнал и шум усиливаются в одинаковое число раз. В реальных приемниках коэффициент шума увеличивается из-за внутренних шумов, в результате чего мощность шумов на выходе возрастает, а выходное отношение сигнал-шум уменьшается.

Выходную мощность Рш.вых можно представить в виде двух слагаемых: Р Ш G обусловленного усилением шума источника, и Рвн, обусловленного внутренними, собственными шумами, где G - коэффициент усиления по мощности приемника. Тогда (2.16) можно преобразовать к следующему виду:

(5.17)

Для того чтобы можно было сравнивать различные приемники по шумовым свойствам, в качестве входного шума Рш используют стандартное значение мощности теплового шума резистора R при Т = 293 К:

Иногда используют другое значение температуры - 299 или 300 К, при этом числовое значение Рш изменяется несущественно.

Чувствительность радиоприемника, оцениваемая лишь значением мощности сигнала Рс, при которой обеспечивается прием сигнала, учитывает лишь усилительные свойства радиоприемника. Может показаться, что путем увеличения усиления можно осуществлять прием любых сколь угодно слабых сигналов. На самом деле приемник с большим усилением неизбежно усиливает и свои внутренние шумы, которые и ограничивают его чувствительность.

Отношение мощности сигнала к мощности шумов на выходе линейной части приемника характеризует отношение сигнал-шум, иногда называемое коэффициентом различимости,

Предельная чувствительность приемника равна минимальной мощности входного сигнала на входе Рс = Р Спр при коэффициенте различимости q = 1, при этом

Таким образом, предельная чувствительность приемника пропорциональна коэффициенту шума.

Уверенный прием полезного сигнала обеспечивается при значительном превышении мощности полезного сигнала Р С.ВЬ1Х над шумом Р Ш.ВЫХ, т.е. при коэффициенте различимости q > 1. Реальная чувствительность приемника оценивается минимальной мощностью входного сигнала Рс, при котором достигается заданный коэффициент различимости q > 1, т.е.

Рис. 5.14. Эквивалентная схема для определения чувствительности РПУ

Получим расчетную формулу для определения реальной чувствительности радиоприемного устройства. Полагая, что источник имеет внутреннее сопротивлением Rи, как показано на рис. 5.14, мощность шума на входе приемника

(5.22)

Для того чтобы максимальная мощность отдавалась в нагрузку, должно выполняться условие равенства внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагрузки тогда

Полагаем, что шумы имеют тепловое происхождение и определяются формулой (5.15), тогда реальная чувствительность приемника

(5.24)

Следует помнить, что при Rи = R BX напряжение на входе приемника в два раза меньше напряжения, действующего на выходе источника в режиме холостого хода.

Для расчета параметров радиоаппаратуры удобно использовать логарифмические единицы. Коэффициент шума, выраженный в децибелах,

NF =10lgF. (5.26)

Чувствительность, выраженная в децибелах по отношению к милливатту (дБмВ), определяется формулой

Проверим, сильно ли меняется чувствительность приемника при изменении окружающей температуры. Очевидно, что в последнем выражении от температуры зависит только второе слагаемое а .

При Т = 223 К (-50 °С) а = -175,1 дБм, при Т = 353 К (+60 °С) а= -173,4 дБм. Таким образом, при изменении температуры на 110 °С чувствительность изменилась менее, чем на 2 дБ. Для комнатной температуры Т = 293 К (20 °С) выражение (5.27) можно переписать в упрощенном виде:

ДБм, (5.28)

где Q=10lgq -требуемое отношение сигнал-шум на выходе приемника (коэффициент различимости), дБ.

Для идеального приемника без собственных шумов F = 1, и в полосе 1 Гц пороговая чувствительность, т.е. чувствительность при отношении сигнал-шум на выходе Q p = 0 дБ, равна -174 дБм.

Используя (5.25), при температуре Т = 293 К и входном сопротивлении Rн = 50 Ом чувствительность по напряжению, выраженную в децибелах по отношению к микровольту (дБмкВ), можно вычислить по формуле

Например, чувствительность приемника с полосой пропускания В = 10 кГц и коэффициентом шума NF = 12 дБ при выходном отношении сигнал-шум Q = 10 дБ

U С = 10-61 + 10 lg10000+ 12= 1 дБмкВ, (5.30)

или в микровольтах Uc = 1,08 мкВ,

В англоязычной литературе для обозначения коэффициента шума используются термины noise figure или noise factor, для обозначения чувствительности - sensitivity.

Повышение чувствительности с помощью предварительных усилителей. Любой усилитель воспринимает шумовой сигнал как входной сигнал. При последовательном включении электронных звеньев (каскадов) каждое звено усиливает и сигналы и шумы, прошедшие через предыдущие звенья, добавляя при этом собственный шум.

Определим коэффициент шума последовательного соединения трех звеньев, показанных на рис. 5.15. В соответствии с формулами (5.16) и (5.17) общий коэффициент шума

(5.31)

где G 1 , G 2 , G 3 - коэффициенты усиления по мощности первого, второго и третьего звена; Р ш2 - выходной шум второго звена; Р ш3 - внутренний (собственный) шум третьего звена. Представляя выходной шум второго звена в виде суммы внутреннего шума и усиленного входного шума, а затем аналогично выходной шум первого звена, получим

(5.32)

Рис. 5.15. Последовательное соединение каскадов в РПрУ

Из (5.17) следует что

Подставляя P ВН в (5.32), получим

Выполнив сокращения, получим окончательный вариант коэффициента шума для трех последовательно включенных звеньев:

(5.35)

По аналогии с (5.35) запишем выражение для коэффициента шума для произвольного числа последовательных звеньев:

(5.36)

В литературе последнее выражение называют Формулой Фриса .

Из формулы Фриса видно, что шум всей цепи определяется, в первую очередь параметрами первого звена. Вкладом последующих компонентов практически можно пренебречь, если коэффициент усиления первого звена будет большим.

Следует отметить, что коэффициент шума и коэффициент передачи каждого звена в общем случае будут зависеть от частоты, т.е. иметь различные значения в разных частотных диапазонах. Это означает, что конкретные расчеты можно проводить только в определенных частотных интервалах.

Как правило РПрУ подключается к антенной системе с помощью соединительного кабеля. Как и любой электрический прибор с потерями, коаксиальный кабель имеет собственный уровень шума. При комнатной температуре коэффициент шума коаксиальной линии равен потерям в кабеле. С увеличением частоты потери в коаксиальном кабеле растут, на рис. 5.16 приведены зависимости погонного ослабления (на 1 м длины) от частоты для некоторых марок отечественных коаксиальных кабелей. Как видно из рисунка, величина затухания сигнала в кабеле, а следовательно и его коэффициент шума растут с увеличением частоты передаваемого сигнала. Значения затухания данных гибких коаксиальных кабелей на частоте 1000 МГц находятся в пределах от 0,1 до 0,6 дБ/м, на частоте 2000 МГц - в пределах от 0,2 до 1 дБ/м.

При достаточной длине кабеля его коэффициент шума будет весьма значительным, что резко уменьшит чувствительность радиоприемной системы. Например, если потери в кабеле на частоте 2000 МГц составляют 0,5 дБ/м, то кабель длиной 30 м будет иметь коэффициент шума NF = 15 дБ.

Первым возможным вариантом уменьшения коэффициента шума кабельной линии является использование кабеля с меньшим затуханием. К сожалению, цена подобного кабеля с малыми потерями очень высока.

Вторым возможным вариантом является минимизация длины кабеля или, в идеальном случае, установка РПрУ непосредственно у приемной антенны. Если приемник имеет малые габаритные размеры, то тогда эта задача существенно упрощается, например приемник радио-пеленгационной системы можно разместить непосредственно в основании антенной решетки.

Наконец, третьим возможным вариантом уменьшения влияния коэффициента шума кабеля является применение малошумящего усилителя (МШУ), размещенного в непосредственной близости к приемной антенне (рис. 5.17). Усилитель должен иметь коэффициент шума, не превышающий несколько децибел, а также необходимое усиление.

Пример. Используется МШУ с коэффициентом шума NF1 = 4 дБ и усилением G 1 = 30 дБ, соединительный кабель имеет коэффициент шума NF 2 = 10 дБ и ослабляет сигнал на G 2 = -10 дБ, приемник имеет коэффициент шума NF3 = 12 дБ.

Переведем эти значения в абсолютные единицы. Для МШУ F 1 = 2,512, G 1 = 1000. Аналогично получим для кабеля и приемника: F2 = 0,1; F3 = 15,849.

Рис. 5.17. Пример использования малошумящего предварительного усилителя для уменьшения влияния коэффициента шума кабельной линии

Найдем общий коэффициент шума

или в децибелах NF = 4,3 дБ. Если бы предварительного усилителя не было, то общий коэффициент шума

или в децибелах NF* = 22 дБ. Таким образом, предварительный усилитель с собственным коэффициентом шума NF 1 = 4 дБ и усилением G 1 =30 дБ повысил чувствительность системы на Δ= NF* - NF = 22 - 4,3 = 17,7 дБ.

Возникает вопрос, а как при заданном коэффициенте шума правильно выбрать коэффициент усиления МШУ? С увеличением коэффициента усиления предварительного усилителя G 1 общий коэффициент шума системы асимптотически будет стремиться к его собственному коэффициенту шума.

На рис. 5.18 приведены зависимости коэффициента шума системы от коэффициента усиления МШУ для трех типов соединительного кабеля с коэффициентом шума 5, 10 и 15 дБ. Значения других параметров системы остались без изменений. Из приведенных зависимостей видно, что при использовании кабеля с коэффициентом шума NF 2 = 5 дБ необходимое усиление предварительного усилителя должно быть около 20 дБ, для кабеля с коэффициентом шума 10 дБ необходимо усиление25 дБ, наконец, для кабеля с коэффициентом шума 15 дБ необходимо усиление 30 дБ. При этом очевидно, что дальнейшее увеличение усиления предварительного усилителя практически не улучшает коэффициент шума системы.

Рис. 5.18. Зависимость коэффициента шума системы от коэффициента усиления предварительного усилителя

Если широкополосные сигналы имеют высокий уровень и занимают широкую полосу частот, то предварительный усилитель может перегрузиться. Следовательно, главное внимание нужно уделять его линейности, особенно, если на его входе нет фильтров предварительной селекции. Кроме того, в измерительных системах должен использоваться МШУ с калиброванным усилением, чтобы свести к минимуму погрешности измерения.

Выбор коэффициента усиления предварительного усилителя . Под динамическим диапазоном D приемника (или его отдельных каскадов) понимается отношение уровней максимально возможного и минимально возможного входного сигнала. Обычно динамический диапазон выражается в децибелах, тогда

Минимальные значения уровней обычно равны пороговой чувствительности приемника, максимальные значения определяются допустимым уровнем нелинейных искажений на выходе.

Вернемся к типовой схеме подключения антенной системы к РПУ с помощью соединительного кабельной линии. Как было показано выше, для того чтобы уменьшить вредное влияние собственных шумов кабеля, необходимо сразу после антенной системы устанавливать предварительный усилитель с малым коэффициентом шума. Увеличение коэффициента усиления асимптотически уменьшает общий коэффициент шума системы. Для гипотетического случая, когда коэффициент усиления равен бесконечности, коэффициент шума всей системы будет равен коэффициенту шума усилителя.

В приведенном выше примере МШУ с собственным коэффициентом шума NF 1 = 4 дБ и усилением G 1 = 30 дБ повысил чувствительность системы на Δ = 17,7 дБ, т.е. фактически на эту величину расширил динамический диапазон системы в области, малых значений,

С другой стороны, с увеличением коэффициента усиления динамический диапазон системы в области больших значений уменьшается на разность между коэффициентом усиления усилителя и величиной, на которую расширился динамический диапазон в области малых значений. Например, в рассмотренном выше примере динамический диапазон системы уменьшился на G 1 - Δ = 30 - 17,7 = 12,3 дБ. Из рис. 5.18 видно, что, начиная с некоторой величины, увеличение коэффициента усилений предварительного усилителя практически не приводит к уменьшению коэффициент шума. Следовательно, чтобы избежать чрезмерного уменьшения динамического диапазона, коэффициент усиления предварительного усилителя не должен превышать некоторого необходимого значения, достаточного для получения требуемого коэффициента шума и чувствительности системы. Из рис. 5.18 видно, что если задаться общим коэффициентом шума системы NF ≤ 5 дБ, то при кабеле с N F 2 = 5 дБ коэффициент усиления МШУ G 1 = 20 дБ, для кабеля с NF 2 = 10 дБ G 1 =25 дБ, наконец, для кабеля с коэффициентом шума NF 2 = 15 G 1 =30 дБ.

Многосигнальная избирательность приемника характеризует способность приемника выделять слабый полезный сигнал в присутствии мощных мешающих сигналов, находящихся вне полосы приема, Помехи от этих сигналов возникают в смесителе. Если бы смеситель абсолютно точно перемножал напряжения сигнала и гетеродина, то никаких помех от внеполосных сигналов не возникало бы вообще. Каждый входной сигнал давал бы на выходе смесители свою разностную частоту, и многосигнальная избирательность приемника совпадала бы с односигнальной избирательностью. Реальные смесители такой способностью не обладают. Они, во-первых, смешивают различные входные сигналы между собой так, что один служит гетеродинным сигналом для другого, а это вызывает интермодуляционные помехи; во-вторых, детектируют сигналы, что приводит к перекрестным помехам - переносу модуляции с мешающего сигнала на полезный; в-третьих, детектируют мощный входной сигнал, что приводит к блокировке - изменению коэффициентов передачи линейных каскадов.

Интермодуляционные помехи. Интермодуляция в приемнике - это возникновение помех на выходе радиоприемника при действии на его входе двух и более мешающих сигналов, частоты которых находятся вне основного и побочных каналов приема. Такие помехи называют интермодуляционными. Причина их появления - нелинейность амплитудной функции передачи сигнала активных элементов ВЧ тракта,

Амплитудной характеристикой (АХ) приемника или его отдельных каскадов называется зависимость амплитуды (или действующего значения) выходного напряжения от амплитуды (или действующего напряжения) входного гармонического напряжения постоянной частоты. На рис. 5.19 штриховой линией приведена АХ идеального тракта, сплошной - АХ реального тракта

Характеристика реального тракта разбивается на следующие участки: участок суперпозиции сигнала и шумов (помех) - I (между точками E Ш и Uвх min), линейный участок - II (между точками Uвх min и Uвх mах), участок перегрузки - III (между точками Uвх mах и Е вх компр).

Амплитудные характеристики идеального и реального трактов совпадают на линейном участке II. На этом участке АХ - прямая линия, угол наклона которой определяет коэффициент передачи тракта по напряжению.

Рис. 5.19. Амплитудная характеристика тракта

На участке II AX реального тракта не проходит через начало координат. Даже при Uвх = 0 на выходе тракта имеется некоторое напряжение Un, обусловленное действием флуктуационных шумов и помех в тракте.

На участке III АХ реального тракта отстает от АХ идеального тракта, что связано с перегрузкой реального тракта при больших уровнях входного сигнала. Для нормальной работы тракта должно соблюдаться условие Uвx.min < U< Uвx.max.

Рассмотрим влияние нелинейности функции передачи аналогового тракта на изменение амплитуды полезного сигнала.

Аппроксимация коэффициента передачи тракта весьма сложна, но основные закономерности нелинейных преобразований можно уяснить, если воспользоваться простой моделью в виде нелинейного четырехполюсника, у которого вольтамперная (амплитудная) характеристика, т.е. зависимость тока выходного сигнала от напряжения входного, имеет вид степенного многочлена:

Для анализа возникающих в результате нелинейного преобразования комбинационных составляющих ограничимся кубичным полиномом:

(5.41)

В качестве мгновенного значения входного сигнала u вх примем сумму двух сигналов:

Подставив выражение (5.42) в (5.41), после возведения в степень получим

(5.43)

Используя известные тригонометрические соотношения:

(5.44)

Формулу (5.43) преобразуем к виду

(5.45)

Следует отметить, что использование кубичного полинома для аппроксимации коэффициента передачи радиоприемного тракта позволяет проиллюстрировать возникновение гармоник и новых частотных составляющих, но не обеспечивает корректное вычисление амплитуд этих составляющих, соответствующих практическим амплитудным характеристикам. В технической литературе рассматриваются более сложные методы анализа нелинейных преобразований, например базирующиеся на использовании рядов Вольтера .

Тем не менее, рассмотренный пример показывает, что в спектре тока, текущего через нелинейный элемент, характеристика которого задается полиномом третьей степени, помимо составляющих на частотах ω 1 и ω 2 , возникают дополнительные спектральные составляющие, частоты которых представлены в табл. 5.1.

Таблица 5.1-Комбинационные составляющие

Частоты спектральных компонентов на выходе нелинейного элемента принято называть комбинационными частотами. Комбинационные частоты задаются выражением вида

где n - любые положительные и отрицательные целые числа, включая нуль.

Рис. 5.20. Продукты интермодуляции второго и третьего порядков.

Комбинационные частоты принято группировать, объединяя вместе все частоты, для которых

(5.47)

Число N называют порядком комбинационной частоты. Существует закономерность : слагаемое со степенью N в нелинейной характеристике тракта обусловливает появление комбинационных составляющих с предельным порядком, равным N. Если N четное число, то возникают комбинационные составляющие четных порядков: N, N-2, N-4 вплоть до постоянной составляющей N = 0. Если N нечетное число, то порядки комбинационных частот также нечетны: N, N-2, N-4 вплоть до N = 1.

Интермодуляционные характеристики являются крайне важными показателями для определения качества, так как в большинстве случаев приемник вынужден работать в сложной электромагнитной обстановке в присутствии сильных мешающих сигналов на других частотах,

На рис. 5.20 показано возможное расположение интермодуляционных составляющих второго и третьего порядков, возникающих при подаче на вход тракта двух синусоидальных сигналов равного уровня.

Как видим, продукты с четным порядком образуются дальше по оси частот от входных сигналов, чем продукты с нечетным порядком.

Большее значение для приемника имеют параметры, характеризующие количественно соотношение полезного сигнала и интермодуляционных составляющих.

Наиболее простой задачей является прием местных станций, сигналы которых достаточно сильны, так что даже простой малоламповый приемник может принять и воспроизвести их с большой громкостью. Значительно труднее принять передачи удаленных радиостанций, от которых к месту приема доходят иногда очень слабые сигналы. Тогда нужен более сложный приемник.

Способность принимать слабые сигналы характеризуется параметрам, называемым чувствительностью приемника . Чем слабее сигналы принимаемой станции, тем более чувствительным должен быть приемник, чтобы принять их.

Чувствительность приемника оценивается тем напряжением сигнала на его входе, при котором на выходе приемника получается установленная для него мощность. Чем меньше требуемое для этого напряжение сигнала, тем чувствительнее приемник. Но напряжение на вход приемника поступает из антенны, в которой приходящими от радиостанций сигналами возбуждается электродвижущая сила (э. д. с.). Естественно, что подаваемое антенной на вход приемника напряжение несколько меньше этой э. д. с., так как часть э. д. с. расходуется в самой антенне (это аналогично тому, что напряжение гальванической батареи, отдаваемое во внешнюю цепь, оказывается всегда меньше э. д. с., развиваемой этой батареей). Поэтому под чувствительностью приемника надо понимать ту величину э. д. с. в антенне, при которой на его выходе получается установленная для него мощность .

Чувствительность измеряется в микровольтах (мкв ). Чем меньше микровольт нужно подать на вход приемника для получения требуемой выходной мощности, тем лучше или, как часто говорят, тем выше его чувствительность. Так как поступающее на вход приемника напряжение сигнала усиливается в различных каскадах приемника и, достигнув необходимой величины, попадает на управляющую сетку выходной лампы, то чувствительность приемника определяется общим усилением всех его каскадов. Поэтому приемник тем чувствительнее, чем больше в нем каскадов усиления.

Чувствительность приемника неодинакова в разных точках диапазона. В зависимости от схемы и конструкции она может быть более равномерной или менее равномерной. На фиг. 1 приведена в виде примера диаграмма, характеризующая чувствительность одного из промышленных приемников. По горизонтальной оси отложены частоты (кгц ), на которых производилось измерение, а по вертикальной - чувствительность (мкв ), причем значения чувствительности отложены сверху вниз. Такой метод построения диаграммы делает ее более наглядной (чем выше расположены точки кривой, тем выше чувствительность приемника).

Если схема приемника проработана недостаточно тщательно и налаживание его произведено не совсем правильно, то чувствительность приемника может оказаться очень неравномерной по диапазону, например высокой на высокочастотном конце поддиапазона и резко уменьшившейся на его низкочастотном конце, или наоборот. Подобная неравномерность явилась бы недостатком приемника, так как у хорошего приемника чувствительность в пределах одного поддиапазона, а еще лучше - по всему диапазону принимаемых частот - должна оставаться более или менее постоянной.

По ГОСТ у приемников 1-го масса чувствительность должна быть на всех диапазонах не хуже 50 мкв, у приемников 2-го класса - не хуже 200 мкв на длинных и средних волнах и не хуже 300 мкв на коротких волнах, у приемников 3-го класса сетевых - не хуже 300 мкв на длинных и средних и не хуже 500 мкв на коротких волнах, у батарейных приемников 3-го класса - не хуже 400 мкв на всех диапазонах.

Одним из важнейших показателей качества тракта приема является чувствительность приемника. Чувствительность приемника характеризует способность приемника принимать слабые сигналы. Чувствительность приемника определяется как минимальный уровень входного сигнала устройства, необходимый для обеспечения требуемого качества полученной информации. Если чувствительность приемника ограничивается внутренними шумами, то ее можно оценить реальной или предельной чувствительностью приемника, коэффициентом шума или шумовой температурой.

Чувствительность приемника с небольшим усилением, на выходе которого шумы практически отсутствуют, определяется э.д.с, (или номинальной мощностью) сигнала в антенне (или ее эквиваленте), при которой обеспечивается заданное напряжение (мощность) сигнала на выходе приемника.

Чувствительность приемника определяется коэффициентом его усиления К УС. Приемник должен обеспечивать усиление даже самых слабых входных сигналов до выходного уровня, необходимого для нормального функционирования устройства, однако, на входе приемника действуют помехи и шумы, которые также усиливаются в приемнике и могут ухудшать качество его функционирования. Кроме того, на выходе приемника появляются его усиленные внутренние шумы. Чем меньше внутренние шумы, тем лучше качество приемника, тем выше чувствительность приемника.

Реальная чувствительностьприемника равна э.д.с. (или номинальной мощности) сигнала в антенне, при которой напряжение (мощность) сигнала на выходе приемника превышает напряжение (мощность) помех в заданное число раз. Предельная чувствительность приемника равна э.д.с. или номинальной мощности Р АП сигнала в антенне, при которой на выходе его линейной части (т. е. на входе детектора), мощность сигнала равна мощности внутреннего шума.

Предельную чувствительность приемника можно также характеризовать коэффициентом шума N 0 , равным отношению мощности шумов, создаваемых на выходе линейной части приемника эквивалентом антенны (при комнатной температуре T 0 = 300 К) и линейной частью, к мощности шумов, создаваемых только эквивалентом антенны. Очевидно,

где k = 1,38∙10 –23 Дж/град - постоянная Больцмана;

П ш - шумовая полоса линейной части приемника, Гц;

Р АП - мощность сигнала, Вт.

Из (3.19) видно, что мощность сигнала, соответствующую его предельной чувствительности и отнесенную к единице полосы частот, можно выразить в единицах kT 0:

, (3.19)

Предельную чувствительность приемника можно также характеризовать шумовой температурой приемника Т пр, на которую надо дополнительно нагреть эквивалент антенны, чтобы на выходе линейной части приемника мощность создаваемых им шумов равнялась мощности шумов линейной части. Очевидно,

откуда (3.21)

На реальную антенну воздействуют внешние шумы, номинальная мощность которых

где Т A - шумовая температура антенны. Таким образом реальная чувствительность приемника:

Предельная чувствительность при

Рисунок 3.13 – График зависимости относительной шумовой температуры антенны от частоты

По рисунку 3.13 видим, что на высокой частоте коэффициент относительной шумовой температуры антенны уменьшается и остается неизменной, а также ее роль влияния на чувствительность приемника уменьшается.

Использование пакета MultiSim для расчета шумов схемы: коэффициент шума в зависимости от частоты по формуле (inoise^2/(4*k*T*Rг)). Где выходной шум (onoise), пересчитанный на вход (inoise = onoise/K(f), где K(f) - коэффициент передачи четырехполюсника) дальше это делится на спектральную плотность мощности входного шума, которую можно рассчитать исходя из выходного сопротивления генератора Rг.

В мультисиме для этого необходимо использовать постобработку результатов моделирования шумов. В постпроцессоре добавляется обработка результатов моделирования шумов по формуле (db((inoise_spectrum)/4/1.38e-23/300/50)/2)

НЧ область очень похожа на фликкер- шум транзистора.

Чтобы получить график с коэффициентом шума, необходимо сначала запустить: Моделирование – Вид анализа – Шумов.

Моделирование – Постпроцессор – Вкладка (Графопостроитель) – Кнопка (Расчитать).

Результат моделирования приведен в виде рисунка 3.13.

Рисунок 3.14 – Результат расчета внутреннего шума приемника

С помощью пакета MultiSim оценим коэффициент шума входного каскада РПрУ, предусмотренного ТЗ на курсовой проект. Оценим чувствительность устройства.

Решение: дадим определение чувствительности, это – способность радиоприёмника принимать слабые по интенсивности радиосигналы и количественный критерий этой способности.

Формула для оценки чувствительности,

где - постоянная Больцмана, - абсолютная температура (К), -шумовая полоса частот приемника, дБ - коэффициент шума РПрУ, дБ, - относительная шумовая температура антенны на частоте сигнала.

Определим относительную шумовую температуру антенны на частоте f=17,6375 MГц по формуле:

(3.23)

где значения в МГц.

Подставив числовые значения получим:

Теперь можем определить и чувствительность приемника:

Сделаем вывод, коэффициент шума приемника по результатам расчета оказалась больше, чем значения внешних шумов. Это так, потому что коэффициент шума приемника зависит от частоты. Чувствительность в большей мере, зависит от внутреннего шума приемника.

Система АРУ

В зависимости от назначения и степени универсальности радиоприемник имеет различные органы управления: для настройки на частоту нужного радиосигнала, для согласования уровня выходного сигнала и других параметров с требованиями потребителя принимаемой информации. Управление может быть ручным или автоматическим. Автоматическое управление выполняется по командам, введенным в программное управляющее устройство; функции человека при этом исключаются либо сводятся к включению управляющего устройства, например к нажатию клавиши и т.п.

Автоматические регулировки необходимы для обеспечения приема при быстро изменяющихся условиях, когда оператор не может действовать с достаточной быстротой и точностью, пользуясь ручными регуляторами. Кроме того, автоматизация позволяет упростить функции оператора либо вовсе исключить необходимость обслуживания приемной аппаратуры.

Функции регулировок усложняются, когда требуется обеспечить прием сложных сигналов при меняющихся условиях распространения и в сложной шумовой обстановке. Адаптация приемника к таким ситуациям для наиболее точного воспроизведения передаваемой информации представляет трудную задачу; оператор решает ее путем последовательных проб, которые требуют затраты времени и связаны с потерей части информации. Электронные автоматические регуляторы, основанные на применении быстродействующих микропроцессоров, решают эту задачу.

Основная тенденция развития всех видов техники, в том числе радиосвязи и радиовещания, – создание телеуправляемых и полностью автоматизированных систем. В этом случае все регулировки, необходимые для поддержания соответствия оборудования техническим требованиям, должны выполняться автоматически.

К наиболее распространенным автоматическим регулировкам приемников относят автоматическую регулировку усиления (АРУ) и автоматическую подстройку частоты (АПЧ).

Автоматическая регулировка усиления обеспечивает поддержание на выходе усилителя промежуточной частоты уровня сигнала, достаточно высокого и стабильного для воспроизведения сообщений от радиостанций различной мощности, находящихся на разных расстояниях и в меняющихся условиях распространения радиоволн. Благодаря простоте АРУ применяется почти во всех радиоприемниках.

Цепи АРУ могут включать следующие элементы приемника:

– усилители радио- и промежуточной частоты, приспособленные для

регулировки усиления изменением регулирующего напряжения;

– детекторы для получения регулирующих напряжений путем выпрямления сигнала;

– дополнительные усилители для увеличения регулирующего напряжения при необходимости повысить эффективность АРУ;

– цепи, обеспечивающие пороговое напряжение для получения регулировки с задержкой;

– фильтры нижних частот для подавления продуктов модуляции сигнала в цепях регулирующих напряжений.

Типичные упрощенные схемы АРУ представлены на рисунке - 3.15. В варианте на рисунке - 3.15, а регулирующее напряжение формируется в результате выпрямления напряжения усиленного сигнала с выхода усилителя. Напряжение от детектора Д подается через дополнительный усилитель У и фильтр нижних частот Ф в направлении, обратном направлению прохождения сигнала в регулируемом усилителе. Со стороны выхода оно действует на предшествующие усилительные каскады, поэтому такая регулировка называется обратной АРУ. Усилитель У может быть включен и до детектора Д. Если напряжение на выходе регулируемого усилителя достаточно велико, то этот усилитель не применяют.

В цепи обратной АРУ усиление регулируется благодаря изменению регулирующего напряжения U рег, которое, в свою очередь, изменяется в результате изменения напряжения сигнала на выходе регулируемого усилителя. Следовательно, в цепи обратной АРУ неизбежно и необходимо некоторое изменение выходного напряжения. При правильном выборе параметров цепи это изменение не выходит за допустимые пределы.

В схеме на рисунке - 3.15,б регулирующее напряжение вырабатывается в результате усиления и выпрямления входного напряжения и действует в том же «прямом» направлении, в котором проходит принимаемый сигнал в регулируемом усилителе. Соответственно такая цепь называется прямой АРУ. В отличии от обратной АРУ, здесь регулирующее напряжение не зависит от напряжения на выходе усилителя, т.е. имеется теоретическая возможность полного постоянства выходного напряжения. На практике реализовать эту возможность не удается. Как было выяснено, условие постоянства выходного напряжения состоит в строго определенном законе изменения коэффициента усиления при изменении напряжения на входе. В реальных условиях коэффициент усиления регулируют цепями, свойства которых зависят от регулирующего напряжения. Эту зависимость обеспечивают нелинейные элементы, но их характеристики определяются спецификой происходящих в них сложных физических процессов и управлять формой этих характеристик можно лишь в очень слабой степени.

Рисунок3.15 - Структурная схема построения «обратной» АРУ и амплитудные характеристики усилителя без АРУ, с простой АРУ и с АРУ с задержкой

Для расчета действия АРУ и РРУ воспользуемся пакетом MultiSim.

Рисунок3.16 – Схема РРУ

Рисунок3.17 – Схема АРУ

Результаты моделирования приведем в виде рисунков 3.18, 3.19 и 3.20

Рисунок3.18 – Осциллограмма автоматической регулировки усиления

Из осциллограммы выпишем уровни сигнала: на входе АРУ

U вх = 988,077∙10 -6 В, на выходе АРУ U вых = 1,180В.

По ним определим действие автоматической регулировки усиления при изменении уровня сигнала на выходе:

Получивщиеся значение соответствует ГОСТ 5651-89: действие АРУ при изменении уровня сигнала на выходе не более 10 дБ.

Рисунок3.19 - Осциллограмма автоматической регулировки усиления

Из осциллограммы выпишем уровни изменений входного сигнала: U вх 1 = 988,077∙10 -6 В, U вх 2 = 9,999∙10 -3 В.

По ним определим действие автоматической регулировки усиления при изменении уровня сигнала на входе:

Получивщиеся значение соответствует ГОСТ 5651-89: действие АРУ при изменении уровня сигнала на выходе 46 дБ.

Рисунок3.20 – Осциллограмма ручной регулировки усиления

Из осциллограммы выпишем уровни сигнала: на входе

U вх = 993,961∙10 -6 В, на выходе U вых = 4,429∙10 -3 В.

По ним рассчитаем глубину ручной регулировки усиления в децибелах:

Получивщиеся значение соответствует глубине РРУ по техническому заданию.

Блок АЦП

Усилитель второй промежуточной частоты, который подавляет частоты соседнего канала, а также последующие блоки приемника обработки сигнала построены на цифровых устройствах.

Достоинств такойкомбинированной обработки сигнала множество. К таким достоинствам относится селекция полезного сигнала. В виду того что соседний канал расположен очень близко к основному каналу, избирательность должна быть точной. При построении аналоговых радиоприемных устройств добиться необходимого результата крайне важно, а в некоторых случаях даже невозможно.

Применение цифровых устройств решает такую проблему с легкостью.

Преобразование непрерывного сигнала в цифровую форму, возможно только с использованием аналого- цифровой преобразователя (АЦП).

Требования к данным устройствам также велики как и к остальным устройствам. К разрядности АЦП тоже приводят огромное требование. Чем выше разрядность АЦП, тем выше качество приема, но для обработки сигнала необходим мощный процессор, что в свою очередь приводит к увеличению энергопотребления. Поэтому, для достижения нужного результата используют некий компромисс между разрядностью АЦП и процессором.

Но для функционирования АЦП необходимо определенное значение напряжения, которое является пороговым. Данное значение напряжения описывается требованием АЦП как младший значащий разряд (МЗР) (Least significant bit (LSB)) который у каждого АЦП свой.

Как правило в современных радиоприемных устройствах применяют 8-14(а то и больше) разрядные АЦП. При конструировании инфрадинного приемника с высоким классом точности с технологией программно-определяемого радиоприема, обычно применяют высокоразрядные АЦП. Одним из популярных аналого-цифровых преобразователей является AD9644 производителем которого является фирма «Analog Devices». Разрядность у данного АЦП равна 14, а значение МЗР 1,8 В.

Процесс преобразования сигнала осуществляется в два этапа. Первый этап – дискретизация по времени непрерывного сигнала u(t) . В итоге получим последовательность импульсов- отсчетов, следующих с шагом Δt.

Второй – этап оцифровка каждого отсчета. Диапазон возможных значений напряжений (u min , u max )делится на M интервалов длиной

Δu= (u max - u min )/ M (2.24)

каждый. Величина Δu называется шагом квантования по уровню. Далее интервалы нумеруют M- ичными цифрами снизу вверх, начиная с цифры 0.

Определим частоту дискретизации по теореме Котельникова:

F k = 2∙ F в , (2.25)

F k = 2∙17,725∙10 6 = 35,45∙10 6 отсчетов/с .

Теперь найдем шаг квантования по уровню, используя значения U max =4,249∙10 -3 В, U min = -4,249∙10 -3 В.

u max - u min = (4,249∙10 -3 + 4,249∙10 -3 В)= 8,5∙10 -3 В,

Значение M выбираем равным 16384, так как 2 14 = 16384:

Δu=8,5∙10 -3 / 16384= 5,19∙10 -7 .

По технической спецификации к данному аналого-цифровому преобразователю, определим значение младшего значащего разряда. МЗР для данного АЦП равен 1,8 В. То есть, для нормального функционирования как АЦП, так и всей системы в целом, необходимо усилить напряжение на входе антенны как минимум до уровня МЗР.

Бюджет усиления АЦП – минимальное разрешающее напряжение на входе АЦП, которое усилено в преселекторе и УПЧ. Значение напряжения на входе преселектора равно 1 мВ. Вычислим бюджет усиления АЦП:

K=1,8 /1∙10 -3 =1330 раз=31,55 дБ.

Заключение

В данной работе был выполнен расчет, который позволил выбрать и обосновать спроектированную структурную схему радиоприемного устройства по исходным данным технического задания. Произведен расчет электрической принципиальной схемы УПЧ приемного устройства и самого приемника.

Данный супергетеродинное приемное устройство амплитудно-модулированных сигналов в результатах моделирования отвечает требованиям, заданных в техническом заданий курсового проекта.

Список литературы

1. Проектирование радиоприемных устройств. Под редакцией А. П. Сиверса. Учебное пособие для вузов. – М., Сов. Радио, 1976 – 488 с.

2. Бакеев Д.А., Дуров А.А., Ильюшко С.Г., Марков В.А., Парфёнкин А.И. Прием и обработка информации. Курсовое проектирование устройств приема и обработки информации: Учебное пособие. – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2007. – 151 с.

3. Румянцев К.Е. Прием и обработка сигналов: Учеб.пособие для студ. высш. учеб.заведений/ - М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 528с.

4. Подлесный С. А. – электронное учебное пособие/ Устройства приема и обработки сигналов – Красноярск: ИПК СФУ, 2008

5. ГОСТ 5651-89 Аппаратура радиоприёмная бытовая

В.Ефремов

В журнале "Ремонт & Сервис" ранее рассматривались общие вопросы построения специальных шкал децибел и проблемы, возникающие при переходе от абсолютных значений к децибельной шкале и наоборот . В качестве практического примера была приведена специальная шкала, часто используемая при проведении измерений сигналов низких частот на нагрузке сопротивлением 600 Ом.

В современной высокочастотной технике большинство генераторов сигналов, предназначенных для проверки чувствительности радиоприемных устройств (РПУ), рассчитаны на работу с 50-омной согласованной нагрузкой и на подключение 75-омной нагрузки через специальные переходные устройства. Уровень ВЧ-напряжения на выходе генератора устанавливается либо ступенями, либо плавно, а шкалы выходного напряжения при этом могут иметь различную градуировку в зависимости от типа генератора. Чувствительность приемников ранее выражали в микровольтах, а в последнее время стали использовать для этого специальные шкалы децибел. В связи с этим на практике иногда возникают трудности, связанные с быстрым переводом и определением конкретных численных значений в различных шкалах.

В литературе рассмотрены высококлассные универсальные приборы, предназначенные для проверки чувствительности РПУ. Они позволяют устанавливать уровни ВЧ-напряжения на выходе и производить перевод их численных значений в различные шкалы автоматически. К сожалению, большинству мелких предприятий, занятых ремонтом электронной аппаратуры, они пока недоступны. Более того, им часто приходится пользоваться приборами, произведенными достаточно давно, но до сих пор отвечающими необходимым техническим требованиям при проведении периодических проверок. К таким приборам можно отнести, например, широко распространенный высокочастотный генератор сигналов Г4-107. Выходное напряжение этого генератора на согласованной нагрузке 50 Ом в режимах НГ и ЧМ можно регулировать от 1 В до 1 мкВ и в режимах АМ и ИМ от 0,5 В до 0,5 мкВ. Регулировка производится дискретно и плавно в пределах каждой ступени. Шаг ступенчатой регулировки равен 1 дБ. При этом шкала ступенчатого аттенюатора проградуирована в децибел-вольтах (дБВ). Он (аттенюатор) позволяет устанавливать уровень выходного ВЧ-напряжения от 0 до -119 дБ. Кроме этого, с помощью внешнего аттенюатора можно дополнительно уменьшить уровень напряжения на 20 дБ, т.е. минимальный уровень довести до -139 дБ.

При практической работе с генератором и определении чувствительности РПУ, для перевода уровня выходного сигнала дБВ в мкВ необходимо использовать две специальные таблицы, которые даются в технической документации . При пользовании ими возникают неудобства, связанные с переводом численных значений дБВ в мкВ и наоборот, что особенно заметно в верхней части таблиц, где значения напряжений в мкВ представлены в виде чисел со степенями. Кроме этого, на практике почти всегда приходится использовать внешний аттенюатор, так как чувствительность современных РПУ может быть выше 1 мкВ. Уровень выходного сигнала генератора при этом будет ниже -119 дБ. Прямой перевод уровней ниже этого значения в прилагаемых таблицах вообще не предусмотрен.

Уровни выходного сигнала в дБВ расположены в центральной части таблиц. Им соответствуют значения в единицах, указанных стрелками, т.е. в мВ вверху и в мкВ внизу таблицы. При этом для наглядности соответствующие ряды имеют одинаковое цветовое оформление. Такие же таблицы можно изготовить для других приборов, имеющих ступенчатые аттенюаторы с подобными шкалами. Уровни менее 0,1 мкВ округлены до более реальных с практической точки зрения величин.

Как уже было отмечено выше, в последнее время в технической документации и в литературе уровень ВЧ-сигнала часто указывают в децибельных шкалах. Так, чувствительность РПУ указывают в дБмкВ. Нулевой уровень в этом случае соответствует напряжению ВЧ-сигнала 1 мкВ при сопротивлении нагрузки 50 Ом. Переход к значениям уровня сигнала в мкВ или мВ для этой шкалы можно производить по табл. 1б.

Широкое распространение в радиотехнических измерениях получила специальная шкала дБм. Нулевой уровень этой специальной шкалы соответствует мощности ВЧ-сигнала 1 мВт, рассеянной на 50-омной резистивной нагрузке. При этом, как и в предыдущих случаях, уровни сигнала ниже этого значения будут иметь отрицательный знак. Выразить уровень ВЧ-сигнала в дБм можно, используя одно из математических выражений:

При проведении радиотехнических измерений на практике перевод уровня ВЧ-сигнала из мкВ и мВ в дБм удобно осуществлять также с помощью специальных диаграмм или таблиц. Диаграммы, приводимые в литературе , дают наглядное представление о соотношениях между различными шкалами, но, к сожалению, не позволяют определить точное числовое значение уровня сигнала. Табл. 3 предназначена для перевода уровней ВЧ-сигналов, выраженных в мВ и мкВ, в дБм или наоборот.

Дискретность и числовые значения уровней, представленных в мВ и мкВ, соответствуют табл. 1, т.е. подходят для работы с генератором Г4-107 и другими приборами, имеющими подобную шкалу уровней. В центральной части табл. 3 приведены значения уровней сигналов в дБм, перевод которых осуществляется так же, как и в предыдущих таблицах. Практическое использование приводимых таблиц, в особенности табл. 1 и 3, не ограничивается только приведенными выше примерами.

Литература
1. В. Ефремов. Практическое использование специальных шкал децибел. Ремонт & Сервис, 2000, № 1. с. 55-56.

2. А. Дубинин. Сервис-мониторы IFP-7550. Ремонт&Сервис, 1999, № 11, с. 55-56.

3. Генератор сигналов высокочастотный Г4-107. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

4. Э. Ред. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике, М.: Мир, 1990, с. 171.

а принимать слабые по интенсивности радиосигналы и количественный критерий этой способности. Последний во многих случаях определяется как минимальный уровень радиосигнала в приёмной антенне (эдс, наводимая сигналом в антенне и выражаемая обычно в мв или мкв , либо напряжённость поля вблизи антенны, выражаемая в мв/м ), при котором содержащаяся в радиосигнале полезная информация ещё может быть воспроизведена с требуемым качеством (с достаточными громкостью звучания, контрастностью изображения и т.п.). В простейших радиоприёмниках чувствительность зависит главным образом от степени усиления сигналов в них: с увеличением коэффициента усиления нормальное воспроизведение информации достигается при более слабом радиосигнале (Ч. р. считается при этом более высокой). Однако в сложных радиоприёмных устройствах (например, связных) такой путь повышения Ч. р. теряет смысл, поскольку в них интенсивность полезных радиосигналов может оказаться сравнимой с интенсивностью действующих на антенну одновременно с этими сигналами внешних помех радиоприёму (См. Помехи радиоприёму), искажающих принимаемую информацию. Предельная Ч. р. в этом случае называется чувствительностью, ограниченной помехами; она является параметром не только приёмника, но зависит и от внешних факторов. При наиболее благоприятных условиях (главным образом при приёме в диапазоне метровых и более коротких волн и особенно при космической радиосвязи) внешние помехи слабы и основным фактором, ограничивающим Ч. р., становятся внутренние флуктуационные шумы радиоприёмника (см. Флуктуации электрические). Последние в нормальных условиях работы радиоприёмника имеют постоянный уровень, поэтому Ч. р., ограниченная внутренними шумами, - вполне определённый параметр; за меру Ч. р. в этом случае часто принимают непосредственно уровень внутренних шумов, характеризуемый коэффициентом шума или шумовой температурой (См. Шумовая температура) (см. также Пороговый сигнал).

Лит.: Чистяков Н. И., Сидоров В. М., Радиоприёмные устройства, М., 1974.

Н. И. Чистяков.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Чувствительность радиоприёмника" в других словарях:

Способность радиоприёмника принимать слабые сигналы, а также количеств. мера этой способности, определяемая как миним. уровень входного сигнала, при к ром на выходе приёмника обеспечивается желаемый эффект: определ. качество и громкость звука,… … Большой энциклопедический политехнический словарь

средняя используемая чувствительность радиоприёмника - 3.84 средняя используемая чувствительность радиоприёмника (напряженность поля, для данных): Средняя напряженность поля, созданная несущей на номинальной частоте радиоприемника, промодулированной нормальным тестовым сигналом, которая обеспечивает… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Чувствительность, сенситивность (от лат. sensus чувство, ощущение) количественная характеристика способности устройства реагировать определенным образом на внешнее воздействие, один из главных технических параметров для некоторых… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Чувствительность. Чувствительность способность объекта реагировать определённым образом на определённое малое воздействие, а также количественная характеристика этой способности.… … Википедия

РАДИОПРИЁМНИК - РАДИОПРИЁМНИК. Радиовещательные приёмники служат для индивидуального или коллективного слушания передач радиовещательных станций. Большая часть радиоприёмников даёт возможность воспроизводить граммофонную запись с помощью проигрывателей. При… … Краткая энциклопедия домашнего хозяйства

Устройство для преобразования электрических сигналов с выхода антенны в электрические сигналы, соответствующие подаваемым, на вход радиоканала. Радиоприёмник усиливает принимаемые сигналы до необходимых значений (независимо от величины входных… … Энциклопедия техники - Детекторный приёмник, 1914 г … Википедия

Устройство, предназначенное (в сочетании с антенной (См. Антенна)) для приёма радиосигналов или естественных радиоизлучений и преобразования их к виду, позволяющему использовать содержащуюся в них информацию. В зависимости от назначения Р … Большая советская энциклопедия