Устройство приема радиосигнала

Содержание

Стр.

Приложение А. Устройство приема радиосигнала. Схема электрическая принципиальная

Приложение Б. Устройство приема радиосигнала. Перечень элементов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчёт чувствительности приёмника

 

Исходные данные:

Структурная схема ВЧ тракта приёмника представлена на рис.1.

 Рисунок 1 – Структурная схема супергетеродинного приемника

Параметры узлов:

ТА=220 К – шумовая температура антенны;

RА=75 Ом – сопротивление антенны;

Lкаб.=3 дБ – потери в кабеле;

LВУ=1 дБ – потери во входном устройстве;

КP УРЧ=12 дБ – коэффициент передачи мощности УРЧ;

КШ УРЧ=2 дБ – коэффициент мощности УРЧ;

КP ПРЧ=4 дБ – коэффициент передачи мощности ПРЧ;

КШ ПРЧ=5 дБ – коэффициент мощности ПРЧ;

LФ=2 дБ – потери в ФСИ;

FФ=270 кГц – полоса пропускания ФСИ по уровню 3 дБ;

КШ УПЧ=10 дБ – коэффициент шума УПЧ;

q0=9 дБ – требуемое отношение с/ш на входе детектора;

Определить:

• Шумовую температуру приёмника ТШ ПРМ;
• Коэффициент шума приёмника КШ ПРМ;
• Чувствительность приёмника в единицах мощности;
• Чувствительность приёмника в дБ;
• Чувствительность приёмника в единицах напряжения мкВ;
• Дать оценку структуры ПРМ для возможного снижения шумов и улучшения чувствительности;
• Предложить способы повышения чувствительности приёмника, подтвердив эти предложения соответствующими расчётами.

1. Переводим исходные данные, заданные в дБ в разы с помощью известного соотношения:

2. Определим согласно выражению:

КШ ПАС. ЧП=L=1/КР

значения коэффициентов передачи и коэффициента шума пассивных узлов: кабель, ВУ и ФСИ:

3. Вычисляем согласно формуле:

значения шумовой температуры каждого каскада приемника:

4. Основываясь на формуле:

рассчитываем шумовую температуру приемника в целом, при этом фиксируем удельный вклад каждого каскада в шумовую температуру:

5. Находим согласно формуле:

коэффициент шума приемника:

6. Определим суммарную температуру приемника и антенны:

7. Вычисляем суммарную шумовую мощность на входе приемника, полагая, что

8. Рассчитываем искомое значение  чувствительности приемника:

Вычисляем значение чувствительности в дБ относительно 1 мВт:

и в единицах напряжения:

Анализ полученных результатов

 

–      Сравнение значений шумовой температуры Тпр и ТА: Тпр=1249 К и ТА=220 К позволяет утверждать, что Тпр >> ТА => при уменьшении шумов приемника можно значительно улучшить его чувствительность. Снижение шумов целесообразно;

–      Сравнение значения шумовой температуры приемника Тпр=1249 К и УРЧ ТУРЧ=171,4 К показывает принципиальную возможность снижения шумов, так как минимальным, предельным значением Тпр является ТУРЧ. Из анализа выражения п. 1.4. видно, что основной вклад в Тпр вносят шумы УРЧ. Увеличим коэффициент передачи УРЧ.

Допустим:

КP УРЧ=24 дБ или в 251,2 раз

С учётом этого пересчитаем значение шумовой температуры приёмника в целом:

Шумовая температура снизилась с 1249 К до 897,6 К.

 –    Дальнейшее уменьшение шумовой температуры возможно. Можно понизить уровень шумов УРЧ до 0,9 дБ (дальнейшее уменьшение повлечёт за собой сильное усложнение и подорожание УРЧ):

 

С учётом пересчета шумовой температуры приёмника пересчитаем п.п. 5-8:

5. Находим согласно формуле:

 коэффициент шума приемника:

 или  дБ

6. Определим суммарную температуру приемника и антенны:

7. Вычисляем суммарную шумовую мощность на входе приемника, полагая, что

8. Рассчитываем искомое значение чувствительности приемника:

7,943∙3,2∙10-15 =2,5∙10-14 Вт

Вычисляем значение чувствительности в дБ относительно 1 мВт:

и в единицах напряжения:

 

 

Расчёт влияния помех на приём

1. Исходные данные:

На входе приемника действуют:

сигнал: fС = 9,3 МГц,  UСА = 150 мкВ;

помеха: fП1 = 11,7 МГц,  UП1А = 110 мВ;

fП2 = 9,28 МГц,  UП2А = 110 мВ;

fП3 = 4,11 МГц,  UП3А = 70 мВ.

ВУ:   применен двухконтурный фильтр;

Qкэ = 60 – эквивалентная добротность контура;

К0 ВУ = 0,4 – резонансный коэффициент передачи ВУ.

УРЧ:  Qкэ = 60 – эквивалентная добротность контура;

К0 УРЧ = 5 – резонансный коэффициент передачи УРЧ.

ПрЧ:  Построен по кольцевой схеме;

fПрЧ = fГ - fС – использована верхняя настройка;

fПЧ = 1,2 МГц.

ФСИ:  ∆Fф = 30 кГц – полоса пропускания;

Sск = 8 дБ/кГц – крутизна скатов;

σПП = 3 дБ – затухание на границах полосы пропускания.

Требуется:

• Определить частоту гетеродина. Рассчитать частоты дополнительных каналов приема при . Показать расположение каналов приема на частотной оси.
• Определить степень опасности каждой из помех с точки зрения возможности ее прохождения по одному из каналов приема.
• Рассчитать ослабление опасных помех в отдельных каскадах и ВЧ тракте в целом.
• Для опасных помех определить отношение сигнал-помеха на входе детектора.
• Проверить возможность нелинейного взаимодействия каждой из помех с сигналом и другими помехами в УРЧ и ПРЧ.
• Рассчитать и построить характеристики избирательности и определить значения полос пропускания ВУ, УРЧ и преселектора в целом.

 

1. Рассчитываем частоту гетеродина

 fГ = fС  + fПЧ = 9,3 + 1,2 = 10,5 МГц.

2.  По формуле  

определяем частоты каналов (fКП) приема при m,n  ≤ 2,  fГ = 10,5 МГц,          fПЧ = 1,2 МГц. Результаты расчётов сводим в таблицу.

Таблица 1 – Каналы приёма  

m	n	fКП, МГц	Примечание
0	1	1,2	Канал на ПЧ	fП=fПЧ
0	2	0,6		2·fП=fПЧ
(+)1	1	11,7	Зеркальный канал	fГ-fС=fПЧ
(-)1	1	9,3	Основной канал	fГ-fП=fПЧ
(+)1	2	5,85		2·fП- fГ=fПЧ
(-)1	2	4,65		fГ-2·fП=fПЧ
(+)2	1	22,2		fП-2·fГ=fПЧ
(-)2	1	19,8		2·fГ-fП=fПЧ
(+)2	2	11,1		2·fП-2·fГ=fПЧ
(-)2	2	9,9		2·fГ-2·fП=fПЧ

          

Убеждаемся, что один из каналов приема соответствует частоте сигнала (9,3 МГц). Частота зеркального канала fЗК = 11,7 МГц, канал на промежуточной частоте fПЧ = 1,2 МГц.

   Строим диаграмму (рис.2), иллюстрирующую расположение fКП на частотной оси. Каждый канал приема условно показываем в виде “дельта - функции”. На самом деле каналы имеют конечную полосу пропускания, зависящую от ∆FФ. Чем выше порядок комбинационного преобразования (m+n), тем, в общем случае, меньше интенсивность дополнительного канала приема, что на диаграмме изображаем приближенно высотой  “дельта - импульса”.

                                                                                                                                                                                               Рисунок 2 – Расположение каналов приема на частотной оси

 

3. Сравниваем значения частот помех на входе приемника fП1, fП2 , fП3 с частотами дополнительных каналов приема.

Частота fП2 =9,28 МГц близка к частоте основного канала, поэтому вторая помеха возможно окажется опасной из-за неидеальности АЧХ ФСИ (помеха по соседнему каналу).

Частота fП1 = 11,7 МГц совпадает с частотой зеркального канала приема.

Убеждаемся, что помеха с частотой fП3 = 4,11 МГц не попадает ни в один из каналов приема. Проверка опасности третей помехи с точки зрения многосигнальной избирательности будет приведена ниже.

4. Определяем ослабление 2-ой помехи (с частотой fП2 = 9,28 МГц) в отдельных каскадах ВЧ тракта приемника.

Отстройка помехи от частоты сигнала составляет 20 кГц, что сопоставимо с полосой пропускания ФСИ, следовательно, помеха находится в одном из соседних каналов и через ПРЧ пройдет с тем же коэффициентом, что и сигнал:

 

В соответствии с формулой:

          В соответствии  с:

Полоса пропускания составляет:

т.е. помеха fП2 попадает в полосу пропускания ВУ и УРЧ.

Считаем σВУ2= σУРЧ2 = 0. Этот вывод подтверждают и построенные ниже характеристики избирательности ВУ, УРЧ и преселектора.

5. Для второй помехи из формулы:

определяем отношение сигнал/помеха на входе детектора:

6. Вторая помеха близка к резонансной частоте ВУ и УРЧ, поэтому            γВУ (fП2) = γУРЧ (fП2) =1 и значения напряжения второй помехи на входе УРЧ и ПРЧ  составляют:

 

 

Напряжение 2-ой помехи на входе УРЧ и ПРЧ значительно превышает 10 мВ. Поэтому при проектировании приемника с учетом требований многосигнальной избирательности следует рассмотреть возможности ее нелинейного взаимодействия с fП1 , fП3 и fС.

7. Рассматриваем ослабление первой помехи во входном устройстве. Для этого, согласно формуле:

,

рассчитываем значение обобщенной расстройки, соответствующей fП1=11,7 МГц

Определяем с использованием выражения   

относительный коэффициент передачи ВУ на частоте fП1      

и ослабление помехи:

Рассчитываем ослабление 1-ой помехи в УРЧ. Так как значения    добротностей контуров УРЧ и ВУ одинаковы (Q = 60), то при расчете ослабления помехи в УРЧ принимаем ξ1 = 27,8.

Определяем относительный коэффициент передачи УРЧ на частоте fП1

,

 

 

Ослабление 1-ой помехи в преселекторе:

По таблице для кольцевой схемы определяем дополнительное ослабление в ПРЧ ( dПРЧ ( fП1 ) =1, при m = n = 1) , что соответствует:

Таким образом, использование кольцевой схемы не вносит дополнительного ослабления в ПРЧ для помехи fП1=11,7 МГц

Ослабление 1-ой помехи в ФСИ равно нулю, так как после преобразования частота помехи (при m =1, n = 1):

fП1-fГ=fПЧ

точно совпадает  с fПЧ, т.е. с центральной частотой настройки ФСИ. Таким образом σФ1 = 0 дБ.

8. Для 1-ой помехи по  формуле :

определяем отношение сигнал-помеха на входе детектора:

Анализ полученного результата показывает, что qП1 принимает допустимые значения.

9. Определяем по 

значение напряжения 1-ой помехи на входах УРЧ и ПРЧ:

Напряжение 1-ой помехи на входе УРЧ И ПРЧ не превышает 10 мВ, что позволяет не принимать во внимание нелинейное взаимодействие 1-ой помехи с сигналом в этих каскадах.

10. Помеха с частотой fП3 = 4,11 МГц не попадает ни в один из дополнительных каналов приема и ее уровень после ФСИ будет пренебрежимо мал. Таким образом, можно принять qПЗ → ∞. Это, однако, не означает, что данная помеха не может представлять опасность для радиоприема. Проверим, не является ли напряжение помехи на входах УРЧ или ПРЧ достаточным для возникновения в этих каскадах нелинейных эффектов, приводящих к блокированию, перекрестной и интермодуляции.